第5章 复合材料连接5.1 复合材料连接方式 5.2 胶接连接 5.3 机械连接p复合材料连接，包括复合材料构件之间和复 合材料构件与其它材料构件之间的连接，在 复合材料结构中对结构的安全与可靠性具有 十分重要的作用。由于复合材料强度和刚度 的各向异性，以及复合材料层间强度较低， 延性小等特点，致使复合材料连接部位的设 计与分析要比金属连接复杂。复合材料连接2011/3/23weizhoucug.edu.cn25.1 复合材料连接方式5.1.1 胶接与机械连接的比较 5.1.2 接头效率复合材料连接方式主要分为两大类：胶接连接与 机械连接。在设计中，采用哪种连接，需要根据具体 使用条件来确定。n胶接连接：受力不大的薄壁结构，尤其是复合材 料结构；n机械连接：连接构件较厚、受力大的结构。5.1 复合材料连接方式2011/3/23weizhoucug.edu.cn45.1.1 胶接与机械连接的比较2011/3/23weizhoucug.edu.cn5 不削弱构件截面以及由此引起的应 力集中等 连接部位的质量较轻 成本低 耐腐蚀性好 永久变形小 胶接表面必须仔细清理 强度分散性大，且胶接强度受温湿 环境的影响较大 胶接质量的检验较困难 多数情况下胶接具有不可拆卸性优点缺点胶 接5.1.1 胶接与机械连接的比较2011/3/23weizhoucug.edu.cn6 表面无须仔细清理即可获得较大的 连接强度 强度分散性小 抗剥离能力大 易于拆卸 开孔须削弱构件截面，且引起应力 集中等 接头质量较大 成本高 可能有电化腐蚀问题 永久变形大优点缺点机械连接可见，机械连接的优缺点正好与胶接的相反，与 金属材料构件之间的机械连接相比，复合材料连接还 具有如下特点：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。 复合材料连接时，应综合考虑各种使用要求，选 择合适的连接方式，发挥其优点，正确处理其缺点。 实践证明，连接设计好的结构，不但可以减轻质量， 而且可以延长结构的使用寿命，满足各种使用要求。5.1.1 胶接与机械连接的比较2011/3/23weizhoucug.edu.cn7过盈是指在连接中孔的直径小于轴的直 径，此时孔与轴的配合称为过盈配合。 过盈配合也叫静配合，用于孔、轴间的 紧固连接，不允许两者之间有相对运 动。5.1.2 接头效率2011/3/23weizhoucug.edu.cn8在金属构件受拉剪的机械连接中，用下式表示连 接的接头效率：(5-1)式中 ：上式表明，接头效率是有连接孔构件能承受的最 大载荷与无孔构件能承受的最大载荷之比。复合材料连接设计中也采用类似的接头效率作为 衡量接头设计成功与否的重要指标：5.1.2 接头效率2011/3/23weizhoucug.edu.cn9(5-2)式中 ：5.1.2 接头效率2011/3/23weizhoucug.edu.cn10对于复合材料连接设计有质量要求时，往往采用 如下的接头效率表达式： (5-3)式中 ：5.2 胶接连接5.2.1 胶接连接接头的分析 5.2.2 胶接连接设计5.2 胶接连接2011/3/23weizhoucug.edu.cn125.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn13为了确保胶接连接安全可靠，避免胶接连接接头的提前破 坏，必须正确分析胶接连接接头的内力与应力。以单面搭接为 例来说明胶接连接接头的内力与应力分析计算。p 5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn145.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn15(5-4)根据假设1，由微元体的平衡条件可得：根据假设2和3，胶层的剪切应力-应变关系为：(5-5)5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn16(5-6)利用式(5-4)(5-5)(5-6)可得接头内力的控制方程：(5-7)式中 ：(5-8)5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn17式(5-7)为二阶常微分方程，其一般解为：(5-9)(5- 10)5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn18由此解得：(5- 11)p 5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn19(5- 12)这时也可简化为 ： (5- 13) 最大剪应力发生在 处 ：(5- 14)5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn20(5- 15) 则无量纲的剪应力为：(5- 16)而无量纲化的最大剪应力为 ：(5- 17)由以上分析可知，接头端部的内力和剪应力最大 ，故破坏最容易在这里发生。5.2.1 胶接连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn21A 胶接连接设计应考虑的主要因素1)设计原则 使胶层在受力方向有足够的强度 尽量减少应力集中 防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏1)胶粘剂的选择 要有较好的综合力学性能 有较好的粘接强度 工艺性好，使用方便5.2.2 胶接连接设计2011/3/23weizhoucug.edu.cn223)制造方法4)无损检测5)可维修性6)成本和质量7)试验 基本性能试验 设计接头的验证试验 接头的疲劳寿命试验5.2.2 胶接连接设计2011/3/23weizhoucug.edu.cn23B 胶接形式的选择 C 胶接接头几何参数的选择5.2.2 胶接连接设计2011/3/23weizhoucug.edu.cn245.3 机械连接5.2.1 机械连接接头的分析 5.2.2 机械连接设计一般来说，对于受力大的结构，连接构件较厚， 多采用螺栓或铆接等机械连接，机械连接的主要形式 有搭接和对接两种：5.3 机械连接(a)搭接 (b)偏位搭接 (c)变厚度搭接 (d)单盖板对接 (e)双盖板对接 (f)变厚度盖板对接步骤：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.有载孔和无载孔板的应力、应变分析；5.接头的破坏分析5.3.1 机械连接接头的分析2011/3/23weizhoucug.edu.cn27A 机械连接设计原则1)在适当选择边距和端距的条件下，主要应满足挤压 强度和拉脱强度的要求；2)尽量不采用过盈配合，即使在过盈配合时也应该使 过盈量很小；3)连接接头的质量要轻。 B 连接形式的选择 机械连接的主要形式由上图给出，单搭接(a)和单盖板(d)都 会产生附加弯矩，双盖板对接(e)能够避免附加弯矩，变厚 度或变宽度连接形式在多拍紧固件连接时可以减缓边缘紧 固件上的过大载荷。选择机械连接形式需根据载荷的大小 与方向、结构的安排与要求等因素来考虑。5.3.2 机械连接设计2011/3/23weizhoucug.edu.cn28p 5.3.2 机械连接设计2011/3/23weizhoucug.edu.cn29p 5.3.2 机械连接设计2011/3/23weizhoucug.edu.cn30