4复合材料连接设计详解

P t ≤ jt ( d )t
ω——板宽或钉间距，mm； [σjt] ——许用拉伸应力，MPa。
③剪切强度 校核按
p j ≤ j 2et
e——端距，mm； j ——许用剪切应力，MPa。
（2）紧固件的强度校核 校核按
4P ≤ 2 d
（3）紧固件的选用及对拧紧力矩的要求 ①紧固件直径的选择
d2
4
b dt br
由此得
d 4 br t b
式中
d——紧固件直径，mm t——被连接层合板的厚度，mm [σ
br]——层合板的许用挤压应力，MPa
[τb]——紧固件的许用剪应力，MPa
② 紧固件种类的选择 紧固件主要有螺栓和铆钉两大类：螺栓用于可拆卸的结构连接部位， 铆钉则用于不可拆卸的结构处
Hale Waihona Puke ——紧固件的许用剪切强度值
4.1.4 机械连接和强度校核举例 例4-1
图4-4为双排紧固件承受拉伸载荷的连接接头。试根据下述已知参 数校核接头强度，确定链接区复合材料层合板的厚度t。
已知紧固件为100°沉头窝Ti-22高锁
螺栓，公称直径d=6mm，单面破坏 剪[Q]=21.4KN，内排螺栓和外排螺
【解】
(1)计算连接区加厚部位的层合板厚度
①按面内剪切承载计算 q = t [ τ] T = q / [τ]=700/120=5.83mm
②按螺栓孔挤压承载计算
25×0.57×q = d t [σ
br]
t
25 0.57 700 4.32mm 6 385
③确定连接区加厚部位的层合板厚度按面内剪切承载需5.83mm，选定t=6mm。 铺层层数n=6/0.12=50层，即加厚板铺层层数比原来基本板增加16层。考
Q 11.08kN Q 21.4kN 安全
例4-2 图4-5所示为沿双排紧固件排列方向承受剪切载荷的连接接 头，根据下述已知参数校核接头强度，并确定连接区层合板 的厚度。已知紧固件为115s、100℃沉头钛合金高锁螺栓， 公称直径d=6mm，单剪强度15kN；基本层合板材料为 T300/5222(碳/环氧)，层合板厚度t0=4.08mm，固化后单层 厚度为012mm，共34层铺层方案为 [±45/0/ 45/±45/0/452/-452/0/90/0/45]s， 承受剪切载荷q=700N/mm，方向 为0°层纤维方向一致。该层合板 受载孔处的许用面剪切强度值 [τ]=120MPa,许用挤压强度值 [σ br]=385MPa。内排螺栓孔与 外排螺栓孔承载按57:43分配。
90°的铺层层数为10、36、4，相应铺层百分比为20%、72%、8%。
(2)校核接头强度 二者的[τ]、[σ
栓分别承受57%和43%的载荷基本
层合板材料为T300/5222（碳/环氧） 最大挤压破坏载荷σ
brmax=700MPA，
层合板中各个单层的材料性能和厚度 均相同，固化后单层厚度t1=0.12mm， 层合板基本厚度为2.40mm，铺层方案为 [45/0/-45/0/90/0/45/0/-45/90]s, 载荷方向于0°纤维方向一致。
（5）许用应力和安全系数的确定 确定许用挤压应力
br
n——安全系数
br d / n
4.1.3 机械连接强度校核 （1） 连接板的强度校核 ①挤压强度 校核按
br
P ≤ br dt
P——外载，N； d——孔径；mm； t——丁孔处的板厚，mm。
②拉伸强度 校核按
4
复合材料连接设计
4.1
机械连接设计
机械连接主要包括螺栓连接和铆钉连接。 铆钉连接一般用在受力较小的复合材料薄板上，螺栓连接广泛 应用于承载能力较大和比较重要的受力构件上。
4.1.1 机械连接的破坏形式
4.1.2 机械连接设计的一般要求 （1）机械连接几何参数的选择
（2）机械连接形式及其选择
【解】 (1)确定许用挤压强度值 取各影响因素的修正系数 k=0.55
[ br ] k br max 0.55 700 385MPa
(2)计算连接区加厚部位的层合板厚度t 每列螺钉承受的总载荷为 540×36=19440N 内排螺钉承受的载荷为 Pbr=19440×0.57=11080N 按照挤压承载计算连接区所需的层合板厚度
③ 螺母拧紧力矩的要求
施加拧紧力矩可产生垂直于层合板的压力，将使连接接头的挤压强度 有明显提高
（4）连接区的铺层设计 连接区的铺层设计遵循以下原则
①至少应有40%的±45°铺层和25%的0°铺层，90°的铺层比例为
10%~25%； ②铺层顺序影响层合板的层间剪切强度 ③连接区域加厚，特别是对薄的层合板，避免d/t>4; ④采用均衡对称铺层以消除内应力及翘曲
加厚部位的具体铺层方案为[45/0/-45/0/90/0/45/0/-45/90]2S
与基本层合板铺层百分比一样。
加厚部位层合板厚度 t=4.8>0.6×d=0.6×6=3.6，沉头窝满 足要求.
(3)加厚部位层合板挤压强度校核 Pbr 11080 384.7 MPa br 385MPa 安全 挤压应力 br dt 6 4.8 外排钉孔挤压载荷比内排小，因而不必校核。 紧固件剪切强度校核 内排螺钉承受的剪力
虑到有益于面内剪切承载，应适当增加±45°铺层比例，确定加厚部位
铺层方案为[±45/0/90/ 45/±45/0/452/-452/45/0/±45/90/±45/45/02/45]s。基本板在0°、±45°、90°的铺层层数分别为8、24、2，
相应铺层百分比为23.5%、70.6%、5.9%；而加厚部位在0°、±45°、
t
d br
Pbr

11080 4.80mm 6 385
取连接区加厚部位层合板的厚度t=4.80mm。
铺层总数
n=t/t1=4.80/0.12=40层
各方向的铺层数为
n0 n 40% 16层, n 45 n 40% 16层, n90 n 20% 8层