第五章復(fù)合材料連接講解學(xué)習(xí)

5.復(fù)合材料(fùhécáiliào)連接復(fù)合材料(fùhécáiliào)連接復(fù)合材料(fùhécáiliào)構(gòu)件之間的連接復(fù)合材料構(gòu)件與其他材料構(gòu)件之間的連接第一頁，共55頁。5.1復(fù)合材料(fùhécáiliào)連接方式膠接連接(liánjiē)機(jī)械(jīxiè)連接對于受力不大的薄壁結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量采用膠接連接。連接構(gòu)件較厚、受力大的結(jié)構(gòu)，多采用螺栓連接或鉚接等機(jī)械連接。用螺釘、螺栓和鉚釘?shù)染o固件將兩種分離型材或零件連接成一個(gè)復(fù)雜零件或部件借助膠粘劑在固體表面上產(chǎn)生的粘合力，將同種或不同種材料牢固地連接在一起第二頁，共55頁。鋼筋(gāngjīn)的機(jī)械連接第三頁，共55頁。鋼筋的機(jī)械(jīxiè)連接第四頁，共55頁。5.1.1膠接與機(jī)械(jīxiè)連接的比較膠接連接(liánjiē)優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)(1)不削弱構(gòu)件截面以及由此引起的應(yīng)力集中等；(2)連接部位質(zhì)量較輕；(3)成本低；(4)耐腐蝕性好；(5)永久變形小。缺點(diǎn)(1)膠接表面必須仔細(xì)清理；(2)強(qiáng)度分散性大，膠接強(qiáng)度受溫濕環(huán)境的影響較大；(3)膠接質(zhì)量檢驗(yàn)較困難；(4)多數(shù)情況下膠接具有不可拆卸性。第五頁，共55頁。與金屬材料構(gòu)件之間的膠接連接(liánjiē)相比復(fù)合材料(fùhécáiliào)膠接連接持點(diǎn)(1)金屬膠接接頭易在膠層產(chǎn)生剝離破壞，而復(fù)合材料由于層間強(qiáng)度低，易在層間產(chǎn)生剝離破壞；(2)由于復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間的熱膨脹系數(shù)(péngzhàngxìshù)相差很大，所以這兩者連接會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；(3)可以采用共固化技術(shù)。第六頁，共55頁。機(jī)械(jīxiè)連接優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)缺點(diǎn)(quēdiǎn)(1)表面無須仔細(xì)清理即能獲得較大的連接強(qiáng)度；(2)強(qiáng)度分散性小，(3)抗剝離能力大；(4)易于拆卸。(1)開孔需削弱構(gòu)件截面，且引起應(yīng)力集中等；(2)接頭質(zhì)量較大；(3)成本高；(4)可能有電化腐蝕問題；(5)永久變形大。機(jī)械連接的優(yōu)缺點(diǎn)正好與膠接的相反第七頁，共55頁。與金屬材料構(gòu)件之間的機(jī)械連接(liánjiē)相比，復(fù)合材料連接(liánjiē)特點(diǎn)：(1)由于復(fù)合材料(fùhécáiliào)易產(chǎn)生分層，故連接時(shí)應(yīng)盡量避免過盈配合；(2)象膠接一樣，復(fù)合材料(fùhécáiliào)構(gòu)件與金屬構(gòu)件之間機(jī)械連接同樣會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。過盈是指孔的尺寸減去相配合(pèihé)的軸的尺寸之差為負(fù)。過盈配合(pèihé)是指具有過盈(包括最小過盈等于零)的配合(pèihé)。第八頁，共55頁。5.1.2接頭(jiētóu)效率金屬構(gòu)件受拉剪的機(jī)械(jīxiè)連接中，連接的接頭效率：w—連續(xù)構(gòu)件(gòujiàn)寬度n—沿構(gòu)件(gòujiàn)寬度發(fā)現(xiàn)的緊固件數(shù)d—緊固件孔的直徑有連接孔構(gòu)件能承受的最大載荷與無孔構(gòu)件能承受的最大載荷之比。第九頁，共55頁。復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)(shèjì)中接頭效率：PJ——接頭能夠承受的最大載荷；Pc——無接頭的完整(wánzhěng)結(jié)構(gòu)能夠承受的最大載荷衡量接頭(jiētóu)設(shè)計(jì)成功與否的重要指標(biāo)第十頁，共55頁。復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)(shèjì)有質(zhì)量要求時(shí)，接頭效率表達(dá)式：JP—接頭承載效率(xiàolǜ)Jw—接頭質(zhì)量效率(xiàolǜ)Wc—無接頭完整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量WJ—接頭質(zhì)量一般Je小于1，其越接近1，說明(shuōmíng)接頭設(shè)計(jì)得越好，即表示結(jié)構(gòu)因連接造成的結(jié)構(gòu)承載能力損失和質(zhì)量增加減少。第十一頁，共55頁。5.2膠接連接(liánjiē)膠接連接(liánjiē)的形式：單面搭接(dājiē)雙面搭接斜面搭接階梯形搭接第十二頁，共55頁。斜面(xiémiàn)搭接單面斜接雙面斜接第十三頁，共55頁。階梯形搭接(dājiē)單面階梯形搭接(dājiē)雙面階梯形搭接(dājiē)第十四頁，共55頁。5.2.1膠接連接(liánjiē)接頭的分析單面搭接接頭(jiētóu)的受力情況僅討論不考慮(kǎolǜ)載荷偏心影響的彈性內(nèi)力E1和E2分別為搭接板1與2沿x方向的等效拉壓彈性模量；t1和t2分別為搭接板1與板2厚度；η為膠層厚度；G為膠層剪切模量；P為搭接板單位寬度承受的載荷。由拉伸試驗(yàn)確定的一種材料特性，物體變形難易程度的表征。定義：“在彈性范圍內(nèi)材料的應(yīng)力與對應(yīng)的應(yīng)變的比率，可以表示成單位面積的力，用N/m2或MPa表示。材料在比例極限以內(nèi)剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變之比第十五頁，共55頁。為了(wèile)分析上的方便，特作如下假設(shè)：（1）忽略載荷(zàihè)偏心引起彎矩的影響（2）膠層僅承受剪切應(yīng)力，忽略其正應(yīng)力（3）膠層所受的剪應(yīng)力與兩搭接板的相對位移成正比依據(jù)假設(shè)(jiǎshè)(1)，微元體上不出現(xiàn)彎矩，由微元體平衡條件可得：T1，T2—分別為搭接板1與板2的單位寬度的縱向內(nèi)力（5－4）膠層彈性剪切應(yīng)力受到外力作用而變形時(shí)其內(nèi)部材料的顆粒之間因相對位置改變而產(chǎn)生的相互作用力第十六頁，共55頁。依據(jù)假設(shè)(2)和(3)，膠層彈性剪切應(yīng)力—應(yīng)變(yìngbiàn)關(guān)系設(shè)ε1、ε2分別為搭接(dājiē)板1與2的線應(yīng)變，則按虎克定律可知(5-6)(5-5)（2）膠層僅承受(chéngshòu)剪切應(yīng)力，忽略其正應(yīng)力（3）膠層所受的剪應(yīng)力與兩搭接板的相對位移成正比力學(xué)彈性理論中的一條基本定律，表述為：固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變(單位變形量)之間成線性關(guān)系。第十七頁，共55頁。利用式（5－4）（5－5）（5－6）可得接頭(jiētóu)內(nèi)力的控制方程：(5-7)(5-8)第十八頁，共55頁。(5－4)(5-5)(5-6)第十九頁，共55頁。(5-7)第二十頁，共55頁。式(5-7)為二階常微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)，其一般解為(5-9)(5-7)第二十一頁，共55頁。這里積分常數(shù)A、B由如下(rúxià)邊界條件確定：由此解得(5-11)(5-10)第二十二頁，共55頁。當(dāng)兩搭接板的厚度(hòudù)和沿x方向的等效彈性模量相同時(shí)，即則式(5－11)可簡化為：(5-12)第二十三頁，共55頁。λ簡化(jiǎnhuà)(5-13)由式(5-12)可知，最大剪應(yīng)力發(fā)生在(5-14)(5-12)第二十四頁，共55頁。如果(rúguǒ)引入平均剪應(yīng)力τav(5-15)則無量(wúliàng)綱的剪應(yīng)力為：(5-16)第二十五頁，共55頁。則無量綱的最大剪應(yīng)力，即應(yīng)力集中(jízhōng)系數(shù)為：(5-17)第二十六頁，共55頁。l/2l/2l/2l/2接頭端部的內(nèi)力和剪應(yīng)力最大，故破壞(pòhuài)首先在這里發(fā)生；另外，剪應(yīng)力分布隨G/η值的減小趨于均勻。第二十七頁，共55頁。無量(wúliàng)綱的剪應(yīng)力：(5-16)(5-13)搭接長度一定條件下，為了(wèile)提高搭接接頭抗剪切破壞的強(qiáng)度，應(yīng)使粘接劑的剪切彈性模量G低些，膠層厚度大些。第二十八頁，共55頁。單面搭接接頭的基本破壞模式(móshì)1-拉伸；2-剝離；3-膠層剪切第二十九頁，共55頁。5.2.2膠接連接(liánjiē)設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)(shèjì)原則(2)膠接劑的選擇(xuǎnzé)A膠接連接設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素B膠接形式的選擇C膠接接頭幾何參數(shù)的選擇第三十頁，共55頁。(1)設(shè)計(jì)(shèjì)原則在任何(rènhé)載荷作用下，對于各種形式的破壞，都不應(yīng)使膠接面成為最薄弱的環(huán)節(jié)，且使膠接接頭強(qiáng)度要高于膠接構(gòu)件的強(qiáng)度，至少為同量級。膠接連接設(shè)計(jì)(shèjì)時(shí)要考慮的條件①使膠層在受力方向有足夠的強(qiáng)度；②盡量減小應(yīng)力集中；③防止接頭端部層合板發(fā)生層間拉伸破壞。A膠接連接設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素第三十一頁，共55頁。(2)膠接劑的選擇(xuǎnzé)①要有較好的綜合力學(xué)性能(剪切強(qiáng)度(qiángdù)、剝離強(qiáng)度(qiángdù)與濕熱老化性能等)；②適用于復(fù)合材料之間及復(fù)合材料與其他材料之間的膠接，有較好的粘接強(qiáng)度(qiángdù)；③工藝性好，使用方便。原則(yuánzé)第三十二頁，共55頁。脆性和韌性(rènxìnɡ)膠粘劑剪應(yīng)力-應(yīng)變特性比較τγ脆性膠粘劑韌性膠粘劑宜在中溫下使用，斷裂應(yīng)變較大，因而使膠層的應(yīng)力集中較小，可承受(chéngshòu)較高的疲勞極限應(yīng)力，壽命較長。宜在高溫下使用(shǐyòng)，在拐點(diǎn)附近即斷裂，疲勞壽命短。第三十三頁，共55頁。(3)制造(zhìzào)方法設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解膠接連接的成型和加工過程。設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少成型模具和工裝，減少制造成本，保證膠接質(zhì)量。膠接時(shí)盡量采用共固化方法。模具的選材(xuǎncái)和設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到與固化溫度和固化升溫速率的匹配關(guān)系。(4)無損(wúsǔn)檢測在結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到能夠?qū)χ饕z接部位作無損檢測。無損檢測方法：超聲波檢驗(yàn)、x射線檢驗(yàn)、全息照相和聲發(fā)射等。第三十四頁，共55頁。結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮(kǎolǜ)膠接結(jié)構(gòu)的可維修性。對不影響膠接強(qiáng)度和能夠滿足壽命要求的脫膠，盡量不返修，或者采用適當(dāng)?shù)姆椒?，不損傷脫膠區(qū)附近的膠接區(qū)。(5)可維修性最簡單的維修(wéixiū)方法是在脫膠區(qū)使用緊固件連接，或者增加蓋板后再螺栓連接或鉚接。(6)成本(chéngběn)和質(zhì)量第三十五頁，共55頁。(7)試驗(yàn)(shìyàn)①基本性能試驗(yàn)包括復(fù)合材料層合板的基本性能試驗(yàn)與膠層剝離試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)。②設(shè)計(jì)(shèjì)接頭的驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證接頭強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)(shèjì)要求。③接頭的疲勞壽命試驗(yàn)第三十六頁，共55頁。B膠接形式(xíngshì)的選擇當(dāng)膠接構(gòu)件較薄時(shí)，宜采用簡單的單面搭接或雙面搭接形式(xíngshì)。當(dāng)膠接構(gòu)件較厚時(shí)，由于偏心載荷產(chǎn)生的偏心力矩較大，宜采用階梯形搭接或斜面搭接形式(xíngshì)。強(qiáng)度角度(jiǎodù)考慮第三十七頁，共55頁。單面階梯形搭接(dājiē)雙面階梯形搭接(dājiē)將搭接(dājiē)部分沿全長分成幾段，膠接構(gòu)件的厚度象臺(tái)階一樣相應(yīng)地也分成幾層。每層厚度差在1mm以下，可避免剝離破壞，并能傳遞較大載荷。第三十八頁，共55頁。5.3機(jī)械(jīxiè)連接搭接(dājiē)適合(shìhé)于受力大、連接構(gòu)件較厚的結(jié)構(gòu)件機(jī)械連接的形式對接搭接偏位搭接變厚度搭接第三十九頁，共55頁。單蓋板(ɡàibǎn)對接雙蓋板(ɡàibǎn)對接變厚度(hòudù)蓋板對接對接第四十頁，共55頁。機(jī)械連接接頭的應(yīng)力分析(fēnxī)步驟：機(jī)械連接接頭(jiētóu)的分析(1)對結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行內(nèi)力(nèilì)和變形分析，確定接頭的外載荷；(2)對接頭內(nèi)力(nèilì)和變形進(jìn)行分析，給出各緊固件載荷和作用于每個(gè)緊固件孔的旁路載荷；(3)緊固件的應(yīng)力分析；(4)有載孔或無載孔板的應(yīng)力、應(yīng)變分析；(5)接頭的破壞分析。第四十一頁，共55頁。緊固件的破壞(pòhuài)分析機(jī)械連接(liánjiē)接頭的破壞分析連接(liánjiē)板的破壞分析剪切破壞擠壓破壞拉伸破壞破壞形式第四十二頁，共55頁。(1)緊固件的破壞(pòhuài)分析①鉚釘(mǎodīng)連接剪切破壞(pòhuài)擠壓破壞拉伸破壞破壞形式一個(gè)鉚釘受剪面的數(shù)目鉚釘?shù)闹睆姐T釘?shù)募羟衅茐膽?yīng)力第四十三頁，共55頁。擠壓(jǐyā)破壞拉伸(lāshēn)破壞連接板與鉚釘(mǎodīng)連接的最小厚度鉚釘材料在擠壓方向的等效擠壓破壞應(yīng)力鉚釘?shù)睦炱茐膽?yīng)力第四十四頁，共55頁。拉伸(lāshēn)破壞②螺釘(luódīng)連接剪切破壞(pòhuài)擠壓破壞d1—螺紋內(nèi)徑σb—螺釘材料的拉伸破壞應(yīng)力d—螺釘直徑τb—螺釘?shù)钠茐募魬?yīng)力t—連接板的厚度KB

—擠壓系數(shù)σB—螺釘材料在擠壓方向的等效擠壓破壞壓力第四十五頁，共55頁。(2)連接板的破壞(pòhuài)分析剪切破壞(pòhuài)擠壓(jǐyā)破壞由于復(fù)合材料層合板的各向異性，延性差，層間強(qiáng)度低等特性，使復(fù)合材料連接扳的破壞形式較為復(fù)雜。拉伸破壞第四十六頁，共55頁。拉伸(lāshēn)破壞當(dāng)連接板寬度w與孔直徑d之比較小時(shí)(xiǎoshí)，連接板有可能被拉斷。破壞(pòhuài)載荷垂直于拉伸載荷方向的同一截面有n個(gè)孔時(shí)連接板有孔處的厚度連接板的拉伸破壞應(yīng)力第四十七頁，共55頁。剪切破壞(pòhuài)當(dāng)連接板端距e與孔直徑d之比較小時(shí)，連接板有可能發(fā)生(fāshēng)剪切拉脫破壞。破壞(pòhuài)載荷連接板有孔處的厚度連接板的拉伸破壞應(yīng)力第四十八頁，共55頁。擠壓(jǐyā)破壞當(dāng)w/d、e/d均較大時(shí)，往往(wǎngwǎng)連接板孔邊被擠壓而發(fā)生分層破壞。破壞(pòhuài)載荷連接板的等效擠壓破壞應(yīng)力同一截面有n個(gè)孔時(shí)第四十九頁，共55頁。5.3.2機(jī)械連接(liánjiē)設(shè)計(jì)A機(jī)械連接設(shè)計(jì)(shèjì)原則B機(jī)械連接形式(xíngshì)的選擇C緊固件的選擇D連接板設(shè)計(jì)E設(shè)計(jì)參數(shù)的確定F許用應(yīng)力與安全系數(shù)的確定第五十頁，共55頁。(1)在適當(dāng)選擇邊距和端距的條件下，主要應(yīng)滿足擠壓強(qiáng)度和拉脫強(qiáng)度的要求；(2)盡量(jǐnliàng)不采用過盈配合；(3)連接接頭的質(zhì)量要輕。A機(jī)械連接(liánjiē)設(shè)計(jì)原則一般(yībān)原則在任何載荷作用下，對于各種形式的破壞，都不應(yīng)使連接板發(fā)生拉伸或剪切拉脫破壞，而應(yīng)使接頭產(chǎn)生擠壓