1、4 4 复合材料连接设计复合材料连接设计4.1 4.1 机械连接设计机械连接设计 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（3）紧固件的选用及对拧紧力矩的要求紧固件直径的选择 24bbrddt由此得 4brbdt 式中d紧固件直径，mmt被连接层合板的厚度，mm br层合板的许用挤压应力，MPa b紧固件的许用剪应力，MPa 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
2、结构连接部位，铆钉则用于不可拆卸的结构处 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至少应有40%的45铺层和25%的0铺层，90的铺层比例为10%25%；铺层顺序影响层合板的层间剪切强度连接区域加厚，特别是对薄的层合板，避免d/t4;采用均衡对称铺层以消除内应力及翘曲（5）许用应力和安全系数的确定确定许用挤压应力 n安全系数/brdnbr4.1.3 机械连接强度校核（1）连接板的强度校核挤压强度 校核按P外载，N；d孔径；mm；t丁孔处的板厚，mm。brbrPdt拉伸强度校核按 板宽或钉间距，mm
3、；jt 许用拉伸应力，MPa。()tjtPd t剪切强度校核按 e端距，mm；许用剪切应力，MPa。2jjpetj（2）紧固件的强度校核校核按 紧固件的许用剪切强度值 24Pd 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 i-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brmax=700MPA，层合板中各个单层的材料性能和厚度均相同，
4、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/-45/90s,载荷方向于0纤维方向一致。【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(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54036=19440N内排螺钉承受的载荷为Pbr=194400.57=11080N按照挤压承载计算连接区所需的层合板厚度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max0.55 700385MPabrbrk11080t4.806 385brbrPmmd各方向的
5、铺层数为加厚部位的具体铺层方案为45/0/-45/0/90/0/45/0/-45/902S与基本层合板铺层百分比一样。加厚部位层合板厚度 t=4.80.6d=0.66=3.6，沉头窝满足要求.(3)加厚部位层合板挤压强度校核挤压应力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0459040%16,40%16,20%8nnnnnn层层层11080384.73856 4.8brbrbrPMPaMPadt安全 11.0821.4QkNQkN安全例例4-24-2 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
6、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/-452/0/90/0/45s，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=120MPa,许用挤压强度值brbr=385MPa。内排螺栓孔与外排螺栓孔承载按57:43分配。【解】(1)计算连接区加厚部位的层合板厚度按面内剪切承载计算 q=t T=q/=700/120=5.83mm按螺栓孔挤压承载计算
7、250.57q=d t br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/-45/02/45s。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、90的铺层层数为10、36、4，相应铺层百分比为20%、72%、8%。25 0.57 7004.326 385tmm(2)校核
8、接头强度 由于基本层合板与加厚部位的铺层百分比相近，所以二者的、br差别可以忽略。加厚部位层合板剪切强度校核=q/t=700/6=117MPa=120MPa加厚部位层合板挤压强度校核紧固件剪切强度校核 内排每个紧固件承受的载荷为P=250.57q=9.98kN1.5kN25 0.5725 0.57 700277385()6 6brqMPaMPaDt安全4.2 4.2 胶接连接设计胶接连接设计主要优点主要优点：1、无钻孔引起的应力集中，不切断纤维，不减少承载横剖面面积；2、连接部位质量较轻；3、可用于不同类型材料的连接，无电偶腐蚀问题；4、能够获得光滑的结构表面，连接元件上的裂纹不易扩展，密封性
9、较好；5、加载后的永久变形较小，抗疲劳性能好缺点缺点：1、胶接性能受环境（湿、热、腐蚀介质）影响较大，存在一定老化问题；2、胶接强度分散性大，剥离强度低，不能传递大的载荷；3、缺乏有效的质量检测方法，可靠性差；4、胶接表面在胶接前需作特殊的表面处理；5、被胶接件间配合公差要求严，一般需加温加压固化设备，修补较困难；6、胶接后不可拆卸4.2.1 胶接接头基本破坏形式（3种）（1）被胶接件拉伸（或拉弯）破坏（2）胶层剪切破坏（3）接头端部胶接件剥离破坏4.2.2 胶接连接设计的一般要求（1）胶接连接形式及其选择 胶接连接承剪能力很强，但是抗剥离能力很差。因此，应根据最大 载荷的作用方向，使所设计的连接已剪切的方式传递最大载荷，这 样不至于引起较大的剥离应力。当被胶接件比较薄（t|时，即进入塑性阶段，=0，由静力平衡条件得max0()2Pcth02/2PPl当x=l/2时，胶层应变达到最大值max。设在x=时的剪应变为P，则在塑性区（即|l/2|范围内）的胶接件弹性形变为0max/2/2PlllPllEth 下上由此可得max、P和0是与胶层有关的已知数，P、P和为未知数，由方程联立即可求得接头极限载荷P。max0/2/2PEthPll
