膠螺混合連接在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的研究進(jìn)展

鄒鵬，倪迎鴿，畢雪，陳向明

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065) (2.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院， 西安 710077)

0 引 言

傳統(tǒng)的復(fù)合材料連接方式主要有機(jī)械連接(螺接、鉚接等)、膠接連接、縫合連接以及Z-Pin連接等，其中膠接連接由于耐久性差，對濕熱環(huán)境敏感且缺乏有效的無損檢測技術(shù)等原因無法在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)中廣泛使用。而在膠接接頭中增加機(jī)械連接形成混合連接形式，作為一種新的設(shè)計(jì)特性，可以在一定程度上提高接頭承載能力，滿足民用航空器適航需求。N.Chowdhury指出，膠螺混合連接結(jié)構(gòu)中的螺栓連接一方面可以降低膠層的剝離應(yīng)力，阻止裂紋擴(kuò)展；另一方面相較于純膠接結(jié)構(gòu)，螺栓可以防止突然發(fā)生的災(zāi)難性失效，這對于很難檢測到缺陷的連接區(qū)域具有重要意義。

圍繞膠螺混合連接的研究，不論是用作修補(bǔ)，還是安全保障措施，最終均與結(jié)構(gòu)承載有關(guān)。在膠螺混合連接中可以將機(jī)械連接看作是對膠接的加強(qiáng)，而理想的連接狀態(tài)是膠層和螺栓同時(shí)承擔(dān)載荷，并且在接頭瀕臨破壞時(shí)，二者均達(dá)到極限強(qiáng)度，亦或膠接先達(dá)到極限載荷，而螺栓連接還能繼續(xù)承載。要達(dá)到這種狀態(tài)，要求膠接與機(jī)械連接在變形上相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)兩種連接形式承載的合理高效分配。然而，由于接頭形式剛度的差異，導(dǎo)致載荷無法同時(shí)傳遞到膠層和螺栓，造成非均衡化承載。研究表明：膠接和螺接二者載荷承擔(dān)的同步性和均衡性對于保證結(jié)構(gòu)承載能力十分重要。K.P.Raju、K.Bodjona等特別指出載荷的合理分配可以有效實(shí)現(xiàn)“Across the Board”的強(qiáng)度提升。然而在實(shí)際膠螺混合連接中很難做到二者同時(shí)承受較高載荷，通常是膠黏劑承擔(dān)了大部分載荷，而螺栓僅起到了有限的輔助作用。因而改進(jìn)承載機(jī)理，實(shí)現(xiàn)有效的載荷分配成為提高結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵。此外C.Bois等在其研究中也指出，對于混合連接接頭的評估使用主要包括兩個(gè)階段：評估膠螺兩種接頭載荷傳遞的貢獻(xiàn)分配值(即載荷分配)和預(yù)測相應(yīng)接頭的失效強(qiáng)度(即承載能力)。因此為了實(shí)現(xiàn)螺栓和膠接的載荷均衡化分配，提升二者同時(shí)承載的能力，需要開展大量的參數(shù)化研究工作，從材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝參數(shù)等方面入手，優(yōu)化傳力路徑，提高結(jié)構(gòu)承載性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

本文針對膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并結(jié)合目前的最新研究進(jìn)展，從復(fù)合材料修理與損傷容限、成型工藝與傳力路徑、參數(shù)影響與載荷分配、膠層剝離抑制與多釘載荷分配以及承載能力預(yù)測等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性分析與總結(jié)。

1 發(fā)展歷程

到目前為止，對于膠接和機(jī)械連接接頭的單獨(dú)研究已經(jīng)有五十多年的歷史，相比之下混合連接的研究尚短。典型的螺栓連接結(jié)構(gòu)、膠接結(jié)構(gòu)以及膠螺混合連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。航空行業(yè)中對于復(fù)合材料膠螺混合連接的研究最早起源于L.J.Hart-Smith于20世紀(jì)80年代的研究，其最初是作為保險(xiǎn)性結(jié)構(gòu)和修補(bǔ)使用，用以提高損傷容限。隨后在20世紀(jì)90年代中期由S.C.Tan和M.Steward針對該混合連接結(jié)構(gòu)進(jìn)一步開展了應(yīng)用研究。在航空航天領(lǐng)域，一方面由于膠接損傷難以有效預(yù)測，工藝控制困難，導(dǎo)致其無法廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中；另一方面，載荷主要由膠層承擔(dān)，而螺栓起的作用有限，因此混合連接效率低，無法廣泛應(yīng)用。對于航天安全性能要求高的結(jié)構(gòu)，在使用混合連接時(shí)，通常使用較長的搭接長度和特定模量的黏接劑以保證安全。實(shí)際上隨著黏接劑材料的不斷發(fā)展，國外許多研究者通過試驗(yàn)和理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)，混合連接也可以有較好的連接性能，甚至在某些情形下，相較于傳統(tǒng)連接，混合連接有更好的靜強(qiáng)度和疲勞壽命。而在其他領(lǐng)域，混合連接也因其獨(dú)特的性能及安全性而獲得了廣泛關(guān)注。黃文俊等指出，復(fù)合材料混合連接結(jié)構(gòu)的傳力路徑多，合理設(shè)計(jì)可以有效提高連接效率和載荷傳遞能力，并實(shí)現(xiàn)重量收益。

圖1 膠螺混合連接結(jié)構(gòu)

對于傳統(tǒng)的膠接接頭，為了保證接頭的性能，一般需要采用以下三種措施：①采用“設(shè)計(jì)特征”來減小脫黏；②對于每一種膠接結(jié)構(gòu)開展試驗(yàn)驗(yàn)證；③采用無損檢測技術(shù)對接頭進(jìn)行檢測以保證接頭強(qiáng)度。然而實(shí)際上對每一種航空結(jié)構(gòu)件都進(jìn)行全尺度驗(yàn)證試驗(yàn)會產(chǎn)生巨大的費(fèi)用，并且無損檢測技術(shù)也無法準(zhǔn)確預(yù)測接頭強(qiáng)度。試圖采用設(shè)計(jì)特征，減少脫黏層尺寸的增長則需要增加額外的裂紋抑制組件，增加了結(jié)構(gòu)裝配復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因而，在膠接接頭中添加螺栓，形成混合接頭，成為一種滿足承載要求且較為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)特征。研究表明，采用緊固件對膠接連接加強(qiáng)，一方面可以使膠層損傷的擴(kuò)展被阻止或延緩，使抗剝離、抗沖擊、抗疲勞和抗蠕變等性能提高，另一方面相對于純膠接結(jié)構(gòu)，也存在可能帶來應(yīng)力集中的不利影響。但是，膠接和機(jī)械連接的應(yīng)力集中出現(xiàn)在不同部位，對于膠接連接，應(yīng)力集中發(fā)生在被膠接件膠層端部和附近的復(fù)合材料處；對于機(jī)械連接，應(yīng)力集中則主要發(fā)生在孔附近。而采用混合連接，反而使得被膠接件端部和孔周的局部應(yīng)力集中均得到一定緩和，使其在接頭強(qiáng)度、疲勞壽命和能量吸收等方面均具有一定的潛在優(yōu)勢。此外K.Bodjona等指出，現(xiàn)有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的許多螺栓接頭從技術(shù)上講都是混合連接，它們都包含一層墊片以填充由制造公差或誤差引起的間隙，或者使用密封層來阻止微動(dòng)磨損以及流體/微粒流入流出。但是，大多數(shù)螺栓連接分析都忽略了墊片/密封層，從而導(dǎo)致預(yù)測接頭剛度準(zhǔn)確度的降低，并且厚墊片/密封層還會由于增加了載荷偏心率，被黏物偏移變大造成螺栓傾斜等原因，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 復(fù)合材料修理與損傷容限

復(fù)合材料膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起始于構(gòu)件修補(bǔ)，提高損傷容限，因而相關(guān)研究者針對修復(fù)后的承載能力做了大量的試驗(yàn)和仿真工作。國外L.J.Hart-Smith認(rèn)為鑒于無法有效解決載荷分配問題，復(fù)合材料混合連接的性能提升不大，但是對于修復(fù)損傷的膠接接頭，限制損傷擴(kuò)展具有重要作用。近年國內(nèi)中國民航大學(xué)的學(xué)者在復(fù)合材料修理方面開展了針對性的研究，徐航分別介紹了膠接、鉚接以及膠鉚混合連接修理工藝的相關(guān)理論，重點(diǎn)論述了階梯型補(bǔ)片內(nèi)貼補(bǔ)(如圖2所示)的操作流程與優(yōu)勢，并通過ANSYS建模，對補(bǔ)片鋪層進(jìn)行了優(yōu)化；王瑞峰同樣通過有限元模型，對比分析了楔形挖補(bǔ)情況下膠鉚混合修理和膠接修理在受到拉伸載荷、垂直于板面均布載荷情況下的修理效果(如圖3所示)，認(rèn)為修理件在受到以上兩種載荷時(shí)，膠鉚混合修理能夠降低修理件應(yīng)力集中系數(shù)，明顯減少膠層所受載荷。對大孔徑損傷的修理，鉚釘孔對結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度影響不大，但是對于小孔徑損傷修理，膠鉚混合修理的作用不再有效，反而會由于鉚釘?shù)拈_孔降低結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度。因此在以上兩種載荷作用下，膠鉚混合修理更加適用于大損傷孔情況，對于小損傷孔，直接采用膠接修理是更好的選擇。劉禮平等則采用ANSYS對比分析了復(fù)合材料機(jī)身蒙皮膠接修理以及膠鉚混合修理的應(yīng)力分布與最大剝離應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)相較于單一膠接修理，膠鉚混合修理的Mises應(yīng)力和剝離應(yīng)力均較小，且分布更為均勻，能夠在使用過程中有效降低膠層的剝離破壞。

圖2 混合修理損傷去除與階梯型補(bǔ)片示意圖[31]

(a) 拉伸載荷

(b) 垂直于板面均布載荷

值得注意的是，由于修補(bǔ)場景的特殊需求，鉚接和埋頭螺栓是修理時(shí)重點(diǎn)考慮的形式。盡管鉚接和埋頭螺栓會在一定程度上降低螺栓連接的擠壓強(qiáng)度，但是其可以減少表面突起，具有空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢，在氣動(dòng)外形要求嚴(yán)格的區(qū)域被廣泛應(yīng)用。此外，相較于螺栓連接，盡管鉚接能夠提高效率，消除螺栓孔間隙，但是也要注意鉚接過程不適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)很容易損壞復(fù)合材料被黏物。

2.2 成型工藝與傳力路徑

膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的成型工藝與傳力路徑是指由于膠層、螺栓連接各自的成型特點(diǎn)以及相互間的前后順序?qū)е碌墓に図樞虻牟顒e以及由此造成的傳力特性的不同。在成型工藝方面，目前膠螺混合連接接頭主要有兩種典型工藝(如圖4所示)：①在已固化的膠接接頭上打孔，然后安裝螺栓，并擰緊形成接頭；②連接處預(yù)先制孔，然后涂膠，并安裝擰緊螺栓，待膠層固化后形成接頭。搭接區(qū)域的螺栓孔如果在黏接之前進(jìn)行鉆孔，則必須在固化過程中將銷釘插入孔中以確?？孜粚R。因而除了改善接頭性能外，在某些情況下采用混合連接接頭的作用是在黏接結(jié)構(gòu)固化時(shí)將其固定，從而方便后續(xù)加工制造。作為鉆孔的替代方法，R.Matsuzaki等研究了纖維纏繞到螺栓周圍的承載能力，以避免纖維端產(chǎn)生鉆孔相關(guān)的損傷，研究發(fā)現(xiàn)雖然使用此技術(shù)未觀察到靜態(tài)強(qiáng)度的提高，但疲勞壽命有所改善。

(a) 工藝①

(b) 工藝②

馬毓等對比分析了雙搭接接頭兩種混合接頭制作工藝，研究了二者承載變形過程中的傳力機(jī)理和變形協(xié)調(diào)條件，并通過理論推導(dǎo)建立了各自承載能力的計(jì)算方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。研究中發(fā)現(xiàn)，采用工藝①制作的連接接頭，由于螺栓與孔之間的配合間隙造成螺栓與膠層未直接接觸，從而將接頭傳力及變形分為3個(gè)階段：階段1，內(nèi)外搭接板相對移動(dòng)，膠層剪切變形承擔(dān)載荷；階段2，內(nèi)搭接板或外搭接板與螺栓接觸，載荷由膠層和/或界面摩擦力承擔(dān)；階段3，內(nèi)、外搭接板均克服間隙接觸螺栓，載荷由膠層和螺栓共同承擔(dān)。采用工藝②制作接頭時(shí)，承載過程較為簡單，螺栓預(yù)緊力將迫使多余的膠黏劑填充螺栓與螺栓孔之間的配合間隙，使螺栓與膠層緊密相連，促使膠層和螺栓同時(shí)承載。在膠螺混合連接接頭中，螺栓傳遞載荷可能包含兩種方式：螺栓桿與孔之間的接觸傳遞以及被黏物外表面與螺栓頭/墊圈之間的摩擦力傳遞。K.Bodjona等認(rèn)為前者更適合膠螺混合接頭中大量載荷的傳遞；而后者可靠性較低，由于它依賴于螺栓預(yù)緊力，而承載能力會由于接頭變形以及復(fù)合材料的黏彈性蠕變逐步降低。此外，黏合劑因預(yù)緊力作用而發(fā)生的蠕變也反過來會對螺栓預(yù)緊力造成影響。

王銜等利用試驗(yàn)，研究拉伸載荷下雙搭接復(fù)合材料板與鋼板膠螺混合連接的性能，分析了該連接結(jié)構(gòu)的極限承載能力、應(yīng)變分布和破壞模式，同時(shí)考慮了制作工藝對混合連接的影響。結(jié)果表明：混合連接承載力穩(wěn)定，兩種工藝制作的固定尺寸的混合接頭中，先膠接再鉆孔的接頭，在一定數(shù)量范圍內(nèi)，增加螺栓數(shù)會使承載能力上升，但過多使用螺栓承載能力反而下降；先鉆孔再涂膠的接頭螺栓和膠層協(xié)同工作性能好，但制作工藝要求更高。

此外，受膠接不同成型工藝的影響，混合連接接頭也有一定區(qū)別。當(dāng)共固化成型時(shí)，被黏物和接頭是同時(shí)生產(chǎn)的。這種方法通常與濕法鋪層結(jié)合使用，并用于制造復(fù)合材料與金屬接合處。另一種常見方法是二次黏接，這就要求任一復(fù)合材料被黏物都要事先固化。二次黏合允許在黏合之前對被黏物進(jìn)行處理和檢查，并且在黏合過程中，使用黏合支架或墊片精確控制黏合層的厚度。

2.3 參數(shù)影響與載荷分配

膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的載荷分配是指螺栓承擔(dān)的外部載荷與黏合劑承擔(dān)的外部載荷的比例分配。在載荷分配的參數(shù)影響方面，相關(guān)的研究較多，目前主要考慮的因素包括：膠黏劑屬性、螺栓屬性、被黏物屬性等材料參數(shù)和膠層幾何厚度、端頭形式、擰緊力矩、搭接形式等設(shè)計(jì)參數(shù)。

在材料參數(shù)方面，膠黏劑屬性尤其值得關(guān)注。K.Bodjona等假設(shè)了接頭雙線性彈塑性黏合行為，使用傅立葉振幅靈敏度測試(FAST)定量確定了影響載荷分配最重要的參數(shù)是黏合劑屈服強(qiáng)度，而楊氏模量影響相對較小。而在另一項(xiàng)僅考慮線彈性材料行為的研究中，卻認(rèn)為黏合劑楊氏模量的影響最為強(qiáng)烈。對比兩項(xiàng)研究可以發(fā)現(xiàn)，材料力學(xué)行為對載荷分配的重要性。實(shí)際上外載荷的大小也會對材料行為產(chǎn)生重要影響，在更高的載荷下，影響大小的差異會變得更加明顯，這主要是與材料的非線性效應(yīng)相關(guān)。黃文俊等建立的膠螺混合連接損傷累積的三維有限元模型(如圖5所示)，其中復(fù)合材料由于設(shè)計(jì)需要，在端部有一垂直于板面的翻邊，模型中考慮了膠層物理非線性和接觸非線性等問題，分析了復(fù)合材料端頭翻邊、膠層厚度、膠層韌性以及接觸面摩擦系數(shù)等因素的影響，發(fā)現(xiàn)端頭翻邊由于可以抑制端頭的損傷擴(kuò)展，提高局部剛度，因而可以明顯提高結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度。韌性膠層同樣也能夠提高結(jié)構(gòu)性能，但膠層厚度對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度基本沒有影響；螺釘桿與連接孔接觸面間摩擦系數(shù)越大，連接結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度越高。

(a) 含端頭翻邊模型 (b)無端頭翻邊模型

李成等針對單搭接膠螺混合連接以及對應(yīng)的膠連接、螺栓連接開展了對比研究，并且分析了兩種不同彈性模量的膠材料對混合連接應(yīng)力分布的影響(如圖6所示)，計(jì)算了混合連接膠層與螺栓的承載比例。研究發(fā)現(xiàn)，膠層的加入能夠緩解連接孔邊應(yīng)力集中，且低模量的膠黏劑可以促進(jìn)膠層與螺栓的共同承載，從而達(dá)到比傳統(tǒng)連接方式更好的承載性能。C.T.Hoang-Ngoc等、G.H.Lim等研究了柔性膠黏劑(低模量、大應(yīng)變)對于混合連接接頭載荷分配的影響；而C.Bois等、G.Kelly的研究表明，黏合劑的塑性行為會導(dǎo)致膠接接頭有效剛度的降低，從而導(dǎo)致混合連接中螺栓承載能力的增加。

(a) 剝離應(yīng)力

(b) 剪切應(yīng)力

幾何參數(shù)同樣會對承載分配產(chǎn)生影響。K.Bodjona等的研究表明：對于三種不同的外載荷水平，重疊長度始終是最大的影響，其次是黏合劑厚度和螺栓孔間隙，層合板的厚度和接頭寬度的影響要小得多；而在G.Kelly的研究中，雖然改變層合板厚度對厚層壓板影響相對較小，但對于非常薄的層壓板卻具有很明顯的影響；在K.Bodjona等的研究中并未考慮過如此薄的厚度；B.Kumar等提出了一種添加薄板連接附屬件的方式(如圖7所示)來提供額外的載荷傳遞路徑以提高承載能力，該方式相較于傳統(tǒng)的混合連接形式載荷提高80%以上，但是該結(jié)構(gòu)增加了結(jié)構(gòu)重量和安裝復(fù)雜度；此外，袁輝等針對膠層與螺栓可以協(xié)調(diào)變形的膠螺混合連接接頭，通過理論分析與試驗(yàn)對比的方式，研究了多個(gè)參數(shù)對膠螺混合接頭承載力的影響規(guī)律與機(jī)理，包括膠層厚度、螺栓位移、螺栓剛度等，結(jié)果表明：接頭的破環(huán)形式和承載能力受接頭幾何力學(xué)參數(shù)影響較大。

(a) 傳統(tǒng)混合接頭

(b) 帶附屬件的混合接頭

對于膠螺混合結(jié)構(gòu)，螺栓承載實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性是驗(yàn)證載荷分配的關(guān)鍵手段，但是在該方面的研究尚需進(jìn)一步改進(jìn)。許多研究人員使用自行設(shè)計(jì)加工的測量螺栓來測量拉伸載荷下單搭接接頭的剪切載荷(如圖8所示)，螺栓載荷分配比例分別達(dá)到32%(施加8 kN載荷時(shí))和36%(施加10 kN載荷時(shí))。在這兩項(xiàng)研究中均使用單螺栓、短搭接、相對較厚的黏接線以及低屈服強(qiáng)度的韌性膠黏劑。相反，在另一份研究中，即使施加到14 kN的載荷時(shí)，長搭接的雙排單搭接接頭螺栓的載荷分配比例也低于5%。該研究使用了與G.Kelly相同的黏合劑和黏合層厚度。對比兩項(xiàng)研究可知，幾何參數(shù)和被黏物材料在載荷分配中的重要性。

(a) 示意圖 (b) 橫截面圖 (c) 實(shí)際樣品

2.4 膠層剝離抑制與多釘載荷分配

在膠螺混合連接領(lǐng)域，部分研究人員將注意力集中于膠層剝離機(jī)理及其抑制策略。常用的緊固件配置為單排單螺栓連接，這種配置消除了許多復(fù)雜的影響和相互作用，能夠有效獲得影響接頭性能的機(jī)理。但是，上述配置不能代表大多數(shù)實(shí)際的接頭設(shè)計(jì)，實(shí)際上接頭往往是多行多列的。N.Chowdhury等采用了漸進(jìn)損傷的方法，研究了復(fù)合材料膠鉚混合連接中鉚接陣列以及膠層缺陷對結(jié)構(gòu)承載能力的影響，研究結(jié)果表明：第一行螺栓的位置決定著膠層裂紋擴(kuò)展率，隨著裂紋進(jìn)入緊固件的夾緊區(qū)域，應(yīng)變能釋放率會急劇下降，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率緩慢，從而提高了混合連接接頭的抗疲勞能力；張明星在對T800碳纖維復(fù)合材料多釘混合連接的釘載分布及破壞模式計(jì)算中發(fā)現(xiàn)：首末兩排釘承擔(dān)載荷最大，中間的釘載最小，模量相對較大的膠層阻止了釘載的有效傳遞，破壞模式主要為釘孔擠壓和層合板拉伸破壞；陳向明等通過對比單釘和雙釘膠螺混合連接結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)相對于膠接結(jié)構(gòu)，單釘混合連接結(jié)構(gòu)的承載能力并不會有明顯提高。但是兩釘膠螺混合連接中兩螺栓外側(cè)的膠層由于較大的面外力會很快發(fā)生破壞，而內(nèi)側(cè)的膠層由于螺栓的法向作用使其只受純剪切力，從而提高了該區(qū)域膠層的承載能力。鑒于此結(jié)論，對混合連接構(gòu)型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)(如圖9所示)，將兩螺栓外側(cè)對結(jié)構(gòu)承載能力影響不大的膠層去除，從而避免初始破壞，很好地提高了連接強(qiáng)度。

(a) 構(gòu)型Ⅰ

由于螺栓扭矩?cái)Q緊而產(chǎn)生的預(yù)緊力會在螺栓頭/墊圈下方的被黏物和膠黏劑中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，這會阻礙裂紋的張開，從而減慢或阻止裂紋的擴(kuò)展。螺栓預(yù)緊力作用下的接頭壓縮應(yīng)力分布如圖10所示，該載荷可以有效提高接頭局部損傷抵抗能力，延長膠螺混合和螺栓連接的疲勞壽命。并且這種提升在低振幅循環(huán)載荷下更為明顯，這可能是由于螺栓張力松弛，導(dǎo)致在較高面內(nèi)載荷下的預(yù)緊力削弱。膠螺混合連接的載荷分配可以延遲疲勞裂紋的產(chǎn)生；一旦形成裂紋，螺栓預(yù)緊力作用可以減緩其擴(kuò)展，從而改善膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的疲勞性能；螺栓張力松弛會減少預(yù)緊作用。此外F.E.Goldarag等研究了混合連接接頭在預(yù)緊力矩作用下的接頭預(yù)緊力變化；S.Gomez等利用試驗(yàn)和有限元方法，研究了預(yù)緊力矩對混合連接接頭疲勞壽命的影響，分析了不同預(yù)緊力矩和縱向載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，揭示了預(yù)緊力矩產(chǎn)生的側(cè)向預(yù)緊力在疲勞壽命中的重要作用。

圖10 預(yù)緊力作用下的接頭壓縮應(yīng)力[69]

2.5 承載能力預(yù)測

在膠螺混合接頭中，盡管黏接劑的硬度低于螺栓，但是黏結(jié)接頭比相同尺寸的螺栓接頭要堅(jiān)硬得多。這說明結(jié)構(gòu)剛度是由材料和幾何參數(shù)共同導(dǎo)致的，在典型的膠螺混合接頭線性加載期間，如圖11中的原點(diǎn)和

A

點(diǎn)之間所示，這種剛度差異導(dǎo)致膠黏劑自身傳遞大部分載荷。在該區(qū)域膠螺混合接頭的剛度與膠接接頭基本相同。在較高的載荷下，膠黏劑的非線性行為(超彈性或塑性)則會降低黏接接頭的剛度。在此階段，螺栓開始承擔(dān)越來越大的載荷比例，膠螺混合接頭的剛度開始超過兩種單獨(dú)接頭的剛度。對于緊配合孔，一旦出現(xiàn)非線性黏接效應(yīng)(圖11中的

A

點(diǎn))就會立即出現(xiàn)這種剛度增強(qiáng)效應(yīng)。對于間隙配合孔，僅在黏合劑充分變形，克服螺栓孔間隙(圖11中的點(diǎn)

B

)或施加足夠的螺栓預(yù)緊力，允許載荷通過螺栓頭的摩擦傳遞到螺栓，才發(fā)生這種增強(qiáng)效應(yīng)。如果在加載過程中的任何階段膠黏劑層發(fā)生嚴(yán)重失效，膠螺混合連接接頭的承載將完全由螺栓承擔(dān)，其載荷水平將突降至純螺栓連接結(jié)構(gòu)在該位移下能夠承受的載荷大小(圖11中的緊配合點(diǎn)

C

和間隙配合點(diǎn)

D

)。隨后，膠螺混合接頭的行為類似于螺栓接頭。

另外，應(yīng)該注意的是，許多膠螺混合接頭使用的膠黏劑不會表現(xiàn)出明顯的材料非線性；使用的膠黏劑的破壞應(yīng)變低；黏接線很薄(例如，共固化接頭)。在這種情況下，膠螺混合接頭的響應(yīng)是準(zhǔn)線性，直至膠黏劑破壞，類似于膠接接頭，此時(shí)螺栓產(chǎn)生的剛度效應(yīng)無法體現(xiàn)。

圖11 典型載荷-位移曲線

對于膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的研究，最終都會落在承載能力預(yù)測上。除了上文提到的相關(guān)文獻(xiàn)外，陳向明等對復(fù)合材料膠鉚單搭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究與理論分析，采用彈簧阻尼模型，建立了混合連接結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度的計(jì)算方法；N.Chowdhury等則主要針對膠鉚混合連接加載過程中的損傷機(jī)理開展了研究，并進(jìn)一步對比分析了不同連接形式以及不同預(yù)緊力作用下的承載能力；程小全等針對平面編織復(fù)合材料單排膠螺混合連接結(jié)構(gòu)拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)械連接可以分擔(dān)部分載荷，并強(qiáng)化膠接連接。但是二者的載荷傳遞機(jī)理存在很大不同，膠接主要是通過層間剪切傳遞載荷，而機(jī)械連接則是通過鋪層的面內(nèi)拉伸以及層間剪切傳遞載荷。只有將二者結(jié)合起來，綜合考慮二者的承載機(jī)理才能提高傳遞載荷效果。Xu P等針對GLARE板的膠螺混合結(jié)構(gòu)開展了解析模型、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究，建立了雙彈簧解析模型，考慮了螺栓性能、膠黏劑剛度、幾個(gè)參數(shù)、螺栓孔間隙、被黏物屬性、接觸狀況以及預(yù)緊力松弛等因素，發(fā)現(xiàn)螺栓孔間隙、被黏物幾何參數(shù)以及膠層屬性是三個(gè)主要的影響參數(shù)。而螺栓孔之間的緊配合同樣會對承載能力造成影響，但是在這方面相關(guān)的研究較少。

3 總結(jié)分析

膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的發(fā)展脈絡(luò)與相關(guān)研究現(xiàn)狀圖如圖12所示。

圖12 膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的發(fā)展脈絡(luò)與研究現(xiàn)狀

從圖12可以看出：雖然研究方向側(cè)重點(diǎn)各有不同，但是各研究點(diǎn)之間存在著緊密的聯(lián)系，材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝參數(shù)是影響結(jié)構(gòu)性能的三個(gè)重要方向，因此對于膠螺混合連接問題需要綜合考慮各種因素，確定最終效果。目前國內(nèi)外對于膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的研究，已由作為保險(xiǎn)性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到提升承載能力，如何有效匹配兩種連接形式的剛度，提高載荷分配的均衡性是貫穿混合連接研究的關(guān)鍵問題，也是難點(diǎn)問題。目前雖然從材料、結(jié)構(gòu)以及工藝上提出了一些解決方案，但是存在重量、效率、尺寸限制等局限性。在設(shè)計(jì)允許的前提下，采用韌性膠黏劑、較長的搭接長度、螺釘桿與孔緊密接觸以及采用合適的預(yù)緊力可以有效提高載荷分配比例。進(jìn)一步地，在質(zhì)量限制低的情況下，也可以通過端頭翻邊設(shè)計(jì)、適當(dāng)增加釘載數(shù)量以及添加薄板連接附屬件的方式大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力。

4 研究展望

盡管在膠螺混合連接在復(fù)合材料修理與損傷容限、成型工藝與傳力路徑、參數(shù)影響與載荷分配、膠層剝離抑制與多釘載荷分配以及承載強(qiáng)度承載能力預(yù)測等方向已經(jīng)開展了大量研究工作，取得了大量研究成果，但是仍然存在以下問題亟須進(jìn)一步探討解決，包括以下5個(gè)方面：

(1) 現(xiàn)有的方法對于提升膠螺載荷分配的作用有限，因此有必要進(jìn)一步研究新的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)法從根本上改變傳統(tǒng)混合連接載荷傳遞機(jī)理，提升膠層和螺栓承載能力的同步性與均衡性。

(2) 針對膠螺混合多釘連接結(jié)構(gòu)的研究相對較少，尤其在載荷傳遞機(jī)理方面，由于涉及到膠螺載荷傳遞和多螺栓載荷傳遞兩種性質(zhì)各異的載荷傳遞機(jī)理，因此需要開展進(jìn)一步的研究，設(shè)法厘清二者的載荷傳遞機(jī)制及相互關(guān)系。

(3) 膠螺載荷分配的試驗(yàn)測量是研究的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，現(xiàn)有的螺栓載荷測量設(shè)備多是基于應(yīng)變測量的自制設(shè)備，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，精度也無法保證。因此，對膠螺載荷分配的試驗(yàn)測量也是值得關(guān)注的問題。

(4) 膠螺混合接頭的優(yōu)點(diǎn)之一，是能夠大量吸收斷裂過程中能量，這對于必須耗散大量能量的結(jié)構(gòu)很重要。然而，目前對于能量吸收機(jī)理的研究尚不明確，相關(guān)的文獻(xiàn)并未對能量吸收做詳細(xì)分析。

(5) 有效的強(qiáng)度預(yù)測方法是開展承載能力提升工作的基礎(chǔ)。目前的強(qiáng)度預(yù)測方法大多是基于有限元方法和試驗(yàn)方法，但是在限元方法中，漸進(jìn)損傷的剛度折減方法尚未明確。因而，建立基于剛度折減的混合連接承載能力解析模型，對于提高計(jì)算準(zhǔn)確性與效率具有重要意義。

5 結(jié)束語

本文分別從復(fù)材修理與損傷容限、成型工藝與傳力路徑、參數(shù)影響與載荷分配、膠層剝離抑制與多釘載荷分配以及承載能力預(yù)測等方向系統(tǒng)分析了目前國內(nèi)外針對復(fù)合材料膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)一步歸納總結(jié)了目前膠螺混合連接結(jié)構(gòu)存在的問題以及可能的解決路徑，為該結(jié)構(gòu)的深入研究與廣泛應(yīng)用指明了方向。