復(fù)合材料層合板機(jī)械連接研究進(jìn)展

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1、復(fù)合材料層合板機(jī)械連接研究進(jìn)展木尹玉，李小強(qiáng)，李東升，王亮。翟雨農(nóng)(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)【摘要】機(jī)械連接因其可靠性以及連接工藝上的優(yōu)勢(shì)，受到學(xué)者和工程界的高度重視。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械連接的研究主要是進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究。接頭的承載強(qiáng)度、失效形式以及疲勞性能是衡量接頭性能的主要指標(biāo)。接頭形式、鋪層角度、幾何尺寸、釘孔間隙、預(yù)緊力等是影響接頭性能的主要因素。在實(shí)際工程應(yīng)用中，這些研究對(duì)于提高復(fù)材機(jī)械連接性能有著重要意義。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料層合板；機(jī)械連接；接頭性能ResearchDev

2、elopmentonMechanicalConnectionofCompositeLaminateY1NYu，LIXiaoqiang，LIDongsheng，WANGLiang，ZHAIYunong(SchoolofMechanicalEngineering&Automation，BeihangUniversity,Beijing100191，China)【ABSTRACT】AsAerospacecompositesareusedmoreandmorewidely,scholarsandengineeringfield

3、paygreatat—tentiontocompositematerialmechanicalconnectionforitsadvantagesinreliabilityandconnectionprocess．Thecurrentdomesticandforeignstudiesonthemechanicalconnectionaremainlyexperimentalandnumericalsimulation．Bearingstrength，failuremodes，andfatigueofthejointar

4、emajorindicatorsoftheperformanceofjoint．Connectiontype，plyangles，geometry,screwholeclearance，preload，etc．a(chǎn)rethemainfactorsaffectingthejoint．Thesestudiesareofgreatsig-nificanceforimprovementofthepropertiesofcompositemechanicalconnectors．Keywords：Compositelaminate

5、；Mechanicalconnection；JointperformanceDOhl0．16080／j．issnl671-833x．2016．11．072復(fù)合材料由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組成，主要組分是增強(qiáng)材料和基體材料”l。相較于傳統(tǒng)材料，復(fù)材具有材料與結(jié)構(gòu)同一性、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，具有較高的比強(qiáng)度與比模量、較好的抗疲勞性能、耐腐蝕性【2】。由于復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中已經(jīng)開始盡可能多地采用復(fù)合材料，以達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的目的12】。復(fù)合材料最初應(yīng)用在飛機(jī)上的艙門、安定面、整流罩等次承力結(jié)構(gòu)，目前國(guó)

6、外已將復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等部位，實(shí)現(xiàn)由次承力構(gòu)件向主承力結(jié)構(gòu)的過渡131。復(fù)合材料的大量使用必定會(huì)需要使復(fù)材與其他類型材料進(jìn)行連接，這包括復(fù)材與復(fù)材、復(fù)材與金屬材料等f4】。由于螺栓連接具有容易裝配，允許拆卸、檢修，并且對(duì)環(huán)境影響不敏感等優(yōu)勢(shì)，是復(fù)合材料構(gòu)件中最常用的連接方式15J。由于連接處復(fù)合材料層合板開孑L、應(yīng)力集中等因}基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205014)。72航空制造技術(shù)·2016年第11期素，機(jī)械擰緊接頭通常是一個(gè)危險(xiǎn)源。螺栓連接接頭中，螺栓通常是金屬材料，因此如何控制螺栓孔的應(yīng)力對(duì)

7、保證接頭的承載能力具有十分重要的意義，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。1研究方法1．1試驗(yàn)研究單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)和材料科學(xué)研究中最通用、最廣泛的測(cè)試材料力學(xué)性能的試驗(yàn)方法。通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)材層合板機(jī)械連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中觀察試驗(yàn)件的變形和損傷現(xiàn)象，并記錄孔周的應(yīng)力一應(yīng)變曲線和接頭破壞強(qiáng)度，這是研究復(fù)合材料螺栓連接接頭性能的常用方法。對(duì)于普通螺栓連接，研究雙搭狀態(tài)下的螺栓連接接頭單向拉伸試驗(yàn)形式較為簡(jiǎn)單，試驗(yàn)形式如圖1所示陋1。試驗(yàn)中通常輔以應(yīng)變計(jì)、引伸計(jì)或照相測(cè)量等技術(shù)來獲得相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。雙搭

8、連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較為簡(jiǎn)單，然而實(shí)際的飛行器結(jié)構(gòu)連接最常用的機(jī)械連接形式是單搭連接。由于在單搭連接中，夾頭對(duì)復(fù)合材料層合板的拉力與受螺栓的反力作用線在豎直方向上不重合，作用在不同的作用面上，導(dǎo)致接頭搭接區(qū)域發(fā)生傾斜和彎曲，導(dǎo)致面外變形和附加彎矩，即“次彎曲”，影響連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。圖2為凸頭螺栓和沉頭螺栓發(fā)生“次彎曲”示意圖【7】。