先进复合材料胶接设计

先进复合材料胶接设计

目录

1胶接连接设计 (2)

1.1胶接件基本破坏模式 (2)

1.2胶接连接设计准则 (2)

1.3胶粘剂的选择 (3)

1.3.1胶黏剂选择要求 (3)

1.3.2脆性和韧性胶粘剂比较 (3)

1.3.3常用胶粘剂的比较： (4)

1.3.4被胶接件的表面制备 (5)

1.4胶接连接形式 (6)

1.5胶接接头几何参数选择 (6)

1.6胶接面纤维取向 (7)

1.7温度和湿度的影响 (8)

1.8胶接连接设计应考虑的其它因素 (9)

1.8.1制造方法 (9)

1.8.2可维修性 (9)

1.8.3成本和质量 (9)

1.8.4试验 (9)

2胶接结构的细节设计 (10)

2.1基本要求 (10)

2.2应力水平 (10)

2.3胶结连接形式选择 (10)

2.4降低胶结连接应力集中和剥离应力的措施 (11)

2.5蒙皮（腹板）的加强方法 (11)

2.6注意胶接结构中的热应力 (12)

2.7避免产生电偶腐蚀 (12)

2.8防止水汽进入胶层 (12)

2.9工装设计与加工 (12)

2.10质量控制 (12)

3胶接缺陷及其检验 (12)

3.1缺陷类型 (12)

3.2检测原理 (13)

3.3缺陷的检测方法： (13)

3.4缺陷波形分析 (13)

4胶接结构的耐久性设计 (13)

1胶接连接设计

1.1胶接件基本破坏模式

接头端部的内力和剪应力最大，故破坏最容易在这里发生。实验表明，胶结连接在拉伸载荷作用下，三种基本破坏模式：

A.被胶接件拉伸（或拉弯）破坏；

B.胶层剪切破坏；

C.剥离破坏（包括胶层剥离破坏和被胶接件剥离破坏）。

单面搭接接头的基本破坏模式1-拉伸；2-剥离；3-胶层剪切

1.2胶接连接设计准则

在任何载荷作用下，对于各种形式的破坏，都不应使胶接面成为最薄弱的环节，且使胶接接头强度要高于胶接构件的强度，至少为同量级。

设计原则(从强度和成本考虑)

A.选择合理连接形式，使胶层在最大强度方向受剪力；使胶层在受力方向有足

够的强度；尽可能避免胶层受到法向力，以防止发生剥离破坏；

B.在高温工作时，所选胶粘剂的热胀系数尽量与被胶接件相近；

C.承受动载荷时，应选低模量韧性胶粘剂；

D.工艺尽可能简单，降低制造成本；

E.尽量减少应力集中

F.防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏

1.3胶粘剂的选择

1.3.1胶黏剂选择要求

A.要有较好的综合力学性能；

B.与被胶接件的相容性好，即有较好的粘接强度，不致在胶接件界面发生破坏；

C.工艺性好，使用方便；

D.在尽量低的温度下固化；

E.与被胶接件的热胀系数要相近；

F.环境影响尽可能小；

G.胶接的耐久性应高于结构所预期的寿命。

1.3.2脆性和韧性胶粘剂比较

脆性和韧性胶粘剂剪应力-应变特性比较：

✧脆性胶黏剂宜在高温下使用，在拐点附近即断裂，疲劳寿命短。

✧韧性胶粘剂宜在中温下使用，断裂应变较大，因而使胶层的应力集中较小，

可承受较高的疲劳极限应力，寿命较长。

1.3.3常用胶粘剂的比较：

1.3.4被胶接件的表面制备

利用胶粘剂进行胶接，是被胶接件与胶层之间复杂的作用过程，被胶接件的表面制备质量对胶接质量（静强度和耐久性）有重大的影响。

对碳/环氧先进复合材料件间的胶接，采用有机溶剂清洗和表面机械打磨。对先进复合材料和金属件间的胶接，除了表面制备外，还需对金属表面进行表面处理。

德国AD 公司在Airbus 系列飞机生产中采用的表面处理方法：

不锈钢：不处理

钛合金：阳极化或不处理

铝合金：铬酸阳极化

1.4胶接连接形式

1.5胶接接头几何参数选择

接头的主要作用是将载荷从一个胶接件传递到另一个胶接件上，她的破坏模式是多样的，究竟以何种模式破坏，与接头的几何参数有关。

以单面搭接接头为例，它的集合参数是：被胶接件厚度t、胶层厚度h和搭接长度l。如图所示。

被胶接件厚度t通常由所需传递的载荷P来确定。

胶层厚度h对连接强度有影响。增加厚度，可以减小应力集中，提高强度，但过厚容易产生气泡等缺陷，反使强度下降；过薄则要求被胶接件间贴合度高，因此不宜过薄，一般取0.10mm~0.25mm。

搭接长度l与胶接件厚度t之比l/t是胶接设计中最重要的几何参数。增加搭接长度，可提高承载能力，但搭接长度达到一定值后，承载能力无明显提高。从静强度分析，增加连接长度l无必要，但从使用寿命、结构耐久性考虑，在可能范围内，希望连接长度l尽可能大一些。这是因为，搭接长度短而载荷过大时，搭接长度中间部分最小剪应力几乎和两端值相同，整个胶层进入塑性状态，卸载后，不可能恢复到原来状态，接头很快破坏。一般较为合理的设计是l/t=50~100。

1.6胶接面纤维取向

先进复合材料层压板待胶接表面纤维最好与载荷方向一致或成45°角，不得与载荷方向垂直，以免被胶接件过早产生层间剥离破坏。下图是一些例子。

1.7温度和湿度的影响

温度和湿度对先进复合材料构件性能有影响，设计中必须考虑。

吸收的湿气靠毛细管作用传到胶层树脂中，逐渐引起树脂的组织软化，使它们膨胀，并降低了它们的玻璃化转变温度。

如果胶黏剂在其工作温度范围内使用，温度影响不重要。但如果温度和湿度共同作用，高温将增加湿气的吸收和扩散能力，影响极为严重。长期的环境影响

将明显降低胶接强度。