第五章复合材料连接

5. 复合材料连接
复合材料连接
复合材料构件 之间的连接
复合材料构件与其他 材料构件之间的连接
5.1 复合材料连接方式
借助胶粘剂在固体表 面上产生的粘合力， 将同种或不同种材料 牢固地连接在一起
胶接连接
对于受力不大的薄 壁结构，尤其是复 合材料结构，应尽 量采用胶接连接。
用螺钉、螺栓和铆钉 等紧固件将两种分离 型材或零件连接成一 个复杂零件或部件
A 机械连接设计原则 B 机械连接形式的选择 C 紧固件的选择 D 连接板设计 E 设计参数的确定 F 许用应力与安全系数的确定
2 G( 1 1 ) E1t1 E2t2
d2T1 dx2
2T1
G E2tP 2 0
(5-7)
d2T1 dx2
2T1
G E2tP 2 0
(5-7)
式(5-7)为二阶常微分方程，其一般解为
T 1A(sxh )B(c xh )E 1tP 11 E tE 12t2
(5-9)
这里积分常数A、B由如下边界条件确定：
由此解得
T1 xl P 2
T1 xl 0 2
(5-10)
T1
P
1 2
sh (x) sh ( l)
E 2t2 E1t1 2( E 2t2 E1t1 )
•
ch (x) ch ( l )
E1t1 E 2t2 E1t1
2
2
T2
P 1
1 2
sh (x) sh ( l)
E 2t2 E1t1 2( E 2t2 E1t1 )
最简单的维修方法是在脱胶区使用紧固件连 接，或者增加盖板后再螺栓连接或铆接。
(6) 成本和质量
(7) 试验
① 基本性能试验 包括复合材料层合板的基 本性能试验与胶层剥离试验、剪切试验。 ② 设计接头的验证试验 验证接头强度是否 达到设计要求。 ③ 接头的疲劳寿命试验
强度角度考虑
当胶接构件较薄时，宜采用 简单的单面搭接或双面搭接形式。
与金属材料构件之间的机械连 接相比，复合材料连过接盈特是点指：孔的尺寸减去相配合的轴的
尺寸之差为负。 过盈配合是指具有过 盈(包括最小过盈等于零)的配合。
(1) 由于复合材料易产生分层，故连接时应尽 量避免过盈配合； (2) 象胶接一样，复合材料构件与金属构件之 间机械连接同样会产生较大的内应力。
(2) 强度分散性大，胶接强度 受温湿环境的影响较大；
(3) 胶接质量检验较困难；
(4) 多数情况下胶接具有不可 拆卸性。
复合材料胶接连接持点
与金属材料构件之 间的胶接连接相比
(1) 金属胶接接头易在胶层产生剥离破坏， 而复合材料由于层间强度低，易在层间 产生剥离破坏；
(2) 由于复合材料构件与金属构件之间的 热膨胀系数相差很大，所以这两者连接 会产生较大的内应力；
由于复合材料层合板的 各向异性，延性差，层 间强度低等特性，使复 合材料连接扳的破坏形 式较为复杂。
拉伸破坏
剪切破坏
挤压破坏
拉伸破坏
当连接板宽度w与孔直 径d之比较小时，连接 板有可能被拉断。
破坏载荷
连接板的拉 伸破坏应力
P Tdtb
垂直于拉伸载荷方向的 同一截面有n个孔时
连接板有孔 处的厚度
P Tnd tb
(5-5)
ddT1xG(u2 u1)0
du1 dx
1
T1 E1t1
du2 dx
2
T2 E2t2
P T1 E2t2
(5-6)
d2T1 dx2
G(du2 du1)0
dx dx
dd2Tx21G(PE 2TT21ET11t2)0
dd2Tx21G(PE 2TT21ET11t2)0
d d2T 2x 1G E2T2P G(ET 2T 12E T 11 t2)0
•
ch (x) ch ( l )
E1t1 E 2t2 E1t1
2
2
P 2
ch (x)
sh
(
l
)
E 2t2 E1t1 E 2t2 E1t1 )
•
sh (x)
ch
(
l
)
2
2
(5-11)
当两搭接板的厚度和沿x方向的等效弹性模量相同时，即
E 1 E 2 E , t1 t2 t
则式(5－11)可简化为：
力为与学：应弹固变性体(单理材位论料变中受形G的力量一之)之条后G间基，(u成本材2线定料u性1律中)关，的系应表。述力(5-5)
（2）胶层仅承受剪切应力，忽略其正应力 设ε1、（ε32）分胶别层为所搭受接的板剪1与应2力的与线两应搭变接，板则的按相虎对克位定移律成可正知比
du1 dx
1
T1 E1t1
无量纲的剪应力：
av
l
2
ch(x) sh(l )
(5-16)
2
2G Et
(5-13)
搭接长度一定条件下，为了提高搭接接 头抗剪切破坏的强度，应使粘接剂的剪 切弹性模量G低些，胶层厚度大些。
单面搭接接头的基本破坏模式 1-拉伸；2-剥离；3-胶层剪切
5.2.2 胶接连接设计
(1) 设计原则 (2) 胶接剂的选择
ch(x) sh(l )
2
(5-15) (5-16)
则无量纲的最大剪应力，即应力集中系数为：
maxP2ct(h2l)
av
1 l
l
2 l
dx
2
P l
maxl cth(l) av 2 2
(5-17)
l/2
l/2
l/2
l/2
接头端部的内力和剪应力 最大，故破坏首先在这里 发生；另外，剪应力分布 随G/η值的减小趋于均匀。
载能力损失和质量增加减少。
5.2 胶接连接
胶接连接的形式： 单面搭接 双面搭接
斜面搭接
阶梯形搭接
斜面搭接 单面斜接
双面斜接
阶梯形搭接
单面阶梯 形搭接
双面阶梯 形搭接
5.2.1 胶接连接接头的分析
仅讨论不考虑载荷偏 心影响的弹性内力
材料在比例极限以内剪切 应力与剪切应变之比
由拉伸试验确定的一种材料特 性，物体变形难易程度的表征。 定义：“在弹性范围内材料的 应力与对应的应变的比率，可
(1) 设计原则
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。
胶接连接设计时要考虑的条件
① 使胶层在受力方向有足够的强度； ② 尽量减小应力集中； ③ 防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏。
(2) 胶接剂的选择
原则
① 要有较好的综合力学性能(剪切强度、 剥离强度与湿热老化性能等)； ② 适用于复合材料之间及复合材料与其他 材料之间的胶接，有较好的粘接强度； ③ 工艺性好，使用方便。
搭接
对接
搭接 偏位搭接 变厚度搭接
源自文库 对接
单盖板对接 双盖板对接 变厚度盖板对接
机械连接接头的应力分析步骤：
(1) 对结构部件进行内力和变形分析，确定接 头的外载荷； (2) 对接头内力和变形进行分析，给出各紧固 件载荷和作用于每个紧固件孔的旁路载荷； (3) 紧固件的应力分析； (4) 有载孔或无载孔板的应力、应变分析； (5) 接头的破坏分析。
剪切破坏
当连接板端距e与孔直径 d之比较小时，连接板有 可能发生剪切拉脱破坏。
破坏载荷
连接板的拉
伸破坏应力
Ps 2etb
连接板有孔 处的厚度
挤压破坏
当w/d、e/d均较大时， 往往连接板孔边被挤压 而发生分层破坏。
同一截面有 n个孔时
破坏载荷
PBdt B
连接板的等效 挤压破坏应力
PBndtB
5.3.2 机械连接设计
紧固件的破坏分析
连接板的破坏分析
破坏形式
剪切 破坏
挤压 破坏
拉伸 破坏
(1) 紧固件的破坏分析 ① 铆钉连接
破坏形式
剪切破坏
挤压破坏
拉伸破坏
铆钉的直径
Ps
d 2
4
bk
一个铆钉受 剪面的数目
铆钉的剪切 破坏应力
挤压破坏 拉伸破坏
PBdm t inB
铆钉材料在挤压方向 的等效挤压破坏应力
连接板与铆钉连 接的最小厚度
依据假设(1)，微元体上不出现弯矩， 由微元体平衡条件可得：
胶层弹性剪切应力
dT 1 0 dx dT 2 0 dx
（5－4）
受到外力作用而变形 时其内部材料的颗粒
T1， T2—分别为搭接板1与 板2的单位宽度的纵向内力
之间因相对位置改变 而产生的相互作用力
依据假设(2)和(3)，胶层弹性剪切应力—应变关系
P
sh ( x )
T1
2
1
sh
(
l)
2
T2
P 2
1
sh ( x )
sh
(
l)
2
P 2
ch sh
( x ) ( l)
2
(5-12)
P
sh ( x )
2 G(
1
1T 1 )
E1t1 E2t2
2
1
2
sh
G( 2l
)2
Et
T2
P 2
1
2G
sh ( x )
sh
(5( -123l ))
P Ecth
2 sh
( x ) ( l)
2
由式(5-12)可知，最大剪应力发生在
x
l
2
maxP2ct(h2l) (5-14)
λ(简5-1化2)
如果引入平均剪应力τav
P
2
ch(x) sh ( l )
2
av
1 l
l
2 l
d
x
2
P l
则无量纲的剪应力为：
av
l
2
(4) 无损检测
在结构连接设计时，要考虑到能够对主要 胶接部位作无损检测。无损检测方法：超声 波检验、x射线检验、全息照相和声发射等。
(5) 可维修性
结构连接设计时，要考虑胶接结构的可维修性。 对不影响胶接强度和能够满足寿命要求的脱胶， 尽量不返修，或者采用适当的方法，不损伤脱 胶区附近的胶接区。
当胶接构件较厚时，由于偏 心载荷产生的偏心力矩较大，宜 采用阶梯形搭接或斜面搭接形式。
单面阶梯 形搭接
双面阶梯 形搭接
将搭接部分沿全长分成几段，胶接构件 的厚度象台阶一样相应地也分成几层。 每层厚度差在1mm以下，可避免剥离破 坏，并能传递较大载荷。
5.3 机械连接
适合于受力大、连接 构件较厚的结构件
机械连接
连接构件较厚、受 力大的结构，多采 用螺栓连接或铆接 等机械连接。
钢筋的机械连接
钢筋的机械连接
5.1.1 胶接与机械连接的比较 胶接连接
(1) 不削弱构件截面以及由 此引起的应力集中等； (2) 连接部位质量较轻； (3) 成本低； (4) 耐腐蚀性好； (5) 永久变形小。
(1) 胶接表面必须仔细清理；
PJ——接头能够承受的最大载荷； Pc——无接头的完整结构能够承受的最大载荷
复合材料连接设计有质量要求时，接头效率表达式：
Je
JPJW
PJ Pc
Wc WJ
JP—接头承载效率 Jw—接头质量效率 Wc—无接头完整结构的质量 WJ—接头质量
一般Je小于1，其越接近1，说明接头设 计得越好，即表示结构因连接造成的结构承
以表示成单位面积的力，用 N/m2或MPa表示。
E1和E2分别为搭接板1与2沿x方向的等效拉压弹性模量； t1和t2分别为搭接单板面1搭与接板接2厚头度的；受力η为情胶况层厚度；G为胶 层剪切模量；P为搭接板单位宽度承受的载荷。
为了分析上的方便，特作如下假设：
（1）忽略载荷偏心引起弯矩的影响 （2）胶层仅承受剪切应力，忽略其正应力 （3）胶层所受的剪应力与两搭接板的相对位移成正比
τ 脆性胶粘剂
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
γ 脆性和韧性胶粘剂剪应力 -应变特性比较
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。
(3) 制造方法
设计人员应该了解胶接连接的成型和加工 过程。设计时尽量减少成型模具和工装，减 少制造成本，保证胶接质量。胶接时尽量采 用共固化方法。模具的选材和设计，应考虑 到与固化温度和固化升温速率的匹配关系。
PT
d
4
2
b
铆钉的拉伸 破坏应力
② 螺钉连接
拉伸破坏
PT
d12
4
b
剪切破坏
Ps
d 2
4
b
挤压破坏 PBdtBK B
d1—螺纹内径 σb—螺钉材料的 拉伸破坏应力
d —螺钉直径 τb —螺钉的破坏剪应力
t —连接板的厚度 KB —挤压系数 σB—螺钉材料在挤压方向 的等效挤压破坏压力
(2)连接板的破坏分析
(3) 可以采用共固化技术。
机械连接
(1)表面无须仔细清理即能 获得较大的连接强度； (2)强度分散性小， (3)抗剥离能力大； (4)易于拆卸。
(1)开孔需削弱构件截面， 且引起应力集中等； (2)接头质量较大； (3)成本高； (4)可能有电化腐蚀问题； (5)永久变形大。
机械连接的优缺点正好与胶接的相反
du2 dx
2
T2 E2t2
P T1 E2t2
(5-6)
利用式（5－4）（5－5）（5－6）可得接头内力的控制方程：
d2T1 dx2
2T1
GP
E2t2 0
(5-7)
2 G( 1 1 ) E1t1 E2t2
(5-8)
dT 1 0 dx dT 2 0 dx
(5－4)
G G(u2 u1)
5.1.2 接头效率 金属构件受拉剪的机械连接中，连接的接头效率：
Je
(wnd) w
wnd———沿紧连固构续件件构孔宽件的度宽直发度径现的紧固有 受 孔件数连 的 构接 最 件孔大能构载承件荷受能与的承无最 大载荷之比。
复合材料连接设计中接头效率： 衡量接头设
计成功与否
的重要指标
Je
PJ Pc