分層對復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響

戚航

摘要：復(fù)合材料是利用各種材料制備技術(shù)將多種材料組合在一起，以實(shí)現(xiàn)材料性能的大幅度提升。復(fù)合材料在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用十分廣泛，在各種工業(yè)領(lǐng)域或制造領(lǐng)域中，復(fù)合材料的優(yōu)秀性能可以為產(chǎn)品設(shè)計提供更多的可能性。機(jī)械連接是一種常用的復(fù)合材料連接方式，機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的承載能力將直接決定復(fù)合材料的性能。但是，分層對于承載能力的破壞能力是巨大的。所以，本研究以分層現(xiàn)象為主要示例，探討各類因素對復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

Abstract： Composite materials combine various materials by using various materials preparation technologies， so as to greatly improve the properties of materials. Composite materials are widely used in modern society. In various industrial fields or manufacturing fields， the excellent properties of composite materials can provide more possibilities for product design. Mechanical connection is a common connection mode of composite materials， and the bearing capacity of mechanical connection structure will directly determine the properties of composite materials. However， the ability of delamination to damage the bearing capacity is enormous. Therefore， this study takes delamination as the main example to discuss the influence of various factors on the bearing capacity of composite mechanical connection structures.

關(guān)鍵詞：分層;復(fù)合材料;機(jī)械連接結(jié)構(gòu);承載能力

0? 引言

復(fù)合材料具有良好的可設(shè)計性，可以根據(jù)需要，設(shè)計出滿足要求的彈性屬性和剛度屬性，在飛機(jī)制造領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，是飛機(jī)先進(jìn)性的關(guān)鍵指標(biāo)。機(jī)械連接是一種常用的復(fù)合材料連接方式，受共固化等工藝水平的限制，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的一些關(guān)鍵部位需要采用機(jī)械連接方式，分層是復(fù)合材料出現(xiàn)質(zhì)量問題的最主要原因，它會嚴(yán)重降低復(fù)合材料的受力能力，從而降低機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的承載能力。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞中，連接部位損壞占比可達(dá)70%，因此，科學(xué)掌握分層現(xiàn)象對于復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響，對進(jìn)一步強(qiáng)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)、改善飛行器性能具有重大的意義。

1? 復(fù)合材料機(jī)械連接的特點(diǎn)

機(jī)械連接的主要方式是利用緊固件固定復(fù)合材料，主要的方式是螺栓和銷釘。而且，由于螺栓的受力能力更強(qiáng)，所以螺栓是最普遍的機(jī)械連接方式。在成本允許的情況下，主要的承載力結(jié)構(gòu)都由螺栓來進(jìn)行連接和固定。螺栓的結(jié)構(gòu)也能保證其可拆卸功能[1]。

機(jī)械連接的優(yōu)點(diǎn)主要分為以下幾個方面：①方便進(jìn)行設(shè)備檢修，提高連接的穩(wěn)定性;②方便進(jìn)行重復(fù)拆卸，降低制造和維修成本;③需要連接的零件表面無需進(jìn)行過多處理;④不需要膠類物質(zhì)固定，無殘余受力;⑤環(huán)境造成的惡劣影響較小。

機(jī)械連接也有與優(yōu)點(diǎn)并存的缺點(diǎn)，主要分為以下幾個方面：①螺栓附近會有高于其他位置的受力，提升了材料損壞的可能;②為了適應(yīng)螺栓帶來的不均勻受力，層壓板可能要進(jìn)行加厚處理，增加材料的實(shí)際重量，增加成本;③螺栓所需的孔洞工藝成本較大，且容易在操作過程中出現(xiàn)孔洞的破壞而導(dǎo)致對材料的損壞;④緊固件易與材料發(fā)生電偶腐蝕，損壞緊固件和材料。

2? 復(fù)合材料的分層

2.1 分層的常見原因? 分層出現(xiàn)的主要原因是曲率構(gòu)件和變厚度載面。在現(xiàn)代的材料市場中，常見的曲率構(gòu)件的結(jié)構(gòu)是扇形、管狀、圓柱體和球體[2]。變厚度載面則主要應(yīng)用于層壓板較薄或補(bǔ)強(qiáng)件與補(bǔ)強(qiáng)件相連接的地方，在自由邊界處的應(yīng)用量也比較大。在這些構(gòu)件中，分層現(xiàn)象出現(xiàn)的概率比較高。如果兩個鋪層受到了法向或剪切向的力，就會很容易出現(xiàn)脫膠或破裂現(xiàn)象。而且，在使用了曲率構(gòu)件或變厚度載面后，環(huán)境中的溫度、層壓板的制作過程和緊固件的工作狀態(tài)都有可能導(dǎo)致分層現(xiàn)象的出現(xiàn)。在早晚溫差較大的天氣中，如果層壓板的鋪層種類不一樣，復(fù)合材料產(chǎn)生的分層程度也會有所區(qū)別。工作環(huán)境的溫度條件會造成復(fù)合材料的膨脹，當(dāng)膨化程度不同的時候，層壓板所受的壓力自然也不相同。這些因素都會導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)分層。由于層壓板在制作過程中也會出現(xiàn)種種誤差，這些誤差的存在也會造成較多的開裂現(xiàn)象。

2.2 分層的主要類型? 復(fù)合材料的分層類型主要有兩種，分別是內(nèi)部分層和外部分層。內(nèi)部分層的主要故障部位是層壓板的內(nèi)部，由于內(nèi)部鋪板中含有大量的樹脂，樹脂會與內(nèi)部鋪板發(fā)生作用，從而導(dǎo)致了分層現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種內(nèi)部分層的現(xiàn)象會導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷不會在正常狀況下表現(xiàn)出來，但如果復(fù)合材料投入了使用，在使用中受力較大時，內(nèi)部的損傷會降低材料的受力能力，從而導(dǎo)致材料的損毀[3]。所以，要在復(fù)合材料的制作過程中嚴(yán)格控制樹脂的含量，防止內(nèi)部分層現(xiàn)象的出現(xiàn)。在剛剛出現(xiàn)分層的時候，由于分層程度不高，材料的彎曲程度比較小，但這個彎曲程度會隨著時間的流逝而逐漸加大，并最終降低連接處的連接質(zhì)量，降低連接結(jié)構(gòu)的承載能力。外部分層的位置是在接近表面的內(nèi)部，外部分層的解決難度要遠(yuǎn)高于內(nèi)部分層，由于外部分層的出現(xiàn)原因較為復(fù)雜，分層部位由于太靠近表面，所以可能會受到表面連接處的應(yīng)力作用，所以解決外部分層問題基本都需要進(jìn)行特定情況的專門分析，才能夠解決外部分層的問題。

2.3 分層的危害? 復(fù)合材料重要的特點(diǎn)之一便是堅固，由于復(fù)合材料較為堅固，所以制作技術(shù)較為精良的復(fù)合材料甚至能夠應(yīng)用于先進(jìn)的軍事武器制造[4]。在實(shí)際的制作過程中，制作商通過對材料的質(zhì)量檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的質(zhì)量不合格現(xiàn)象基本都是由分層導(dǎo)致的。分層現(xiàn)象導(dǎo)致復(fù)合材料的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)受到了很大程度的破壞，使復(fù)合材料的綜合性能（例如延展性、承載力等）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于制造標(biāo)準(zhǔn)。如果使用這種劣質(zhì)的復(fù)合材料進(jìn)行制造，將會極大降低產(chǎn)品的質(zhì)量，從而導(dǎo)致產(chǎn)品在出廠檢驗(yàn)的過程中被淘汰。而且，一旦完成了復(fù)合材料的融合步驟，就很難再解決其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)問題，所以，分層現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，危害將是巨大的。

3? 影響復(fù)合材料機(jī)械連接承載能力的主要因素

影響復(fù)合材料機(jī)械連接承載能力的因素比較多，這些復(fù)雜的因素會從各種方面影響連接處的承載能力?？傮w上說，影響因素如表1所示。

根據(jù)表1所示的影響因素可知，對于連接承載能力的計算通常使用破壞連接時的對應(yīng)受力來計算，即如下列公式所示：

公式中的Pult代表破壞載荷，D代表孔徑，t代表層壓板厚度。

3.1 鋪層比例? 復(fù)合材料中所采用的層壓板大多是由多種單向鋪層組成，不同種類單向鋪層的占比將會對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)承載能力產(chǎn)生較大的影響，其中，±45°層的占比對于層壓板的承載能力影響最大。當(dāng)±45°層的占比過低時，層壓板就會非常容易出現(xiàn)剪切或劈裂的現(xiàn)象，造成材料的損毀。所以，±45°層的含量越大時，機(jī)械連接的整體承載能力便會隨之提高。正常情況下，±45°層在機(jī)械連接中的占比要高于40%，0°層的占比要高于25%，90°層的占比要控制在10%到25%之間。需要注意的是，如果±45°層的占比過高，機(jī)械連接的承載能力也會相應(yīng)下降[5]。

3.2 鋪層順序? 鋪層順序是指層壓板的鋪設(shè)順序。當(dāng)鋪層順序發(fā)生改變之后，復(fù)合材料機(jī)械連接處的受力方式也會隨之變化，從而影響其承載能力。在一般情況下，承載能力會隨著0°層的結(jié)合比例的提升而線性降低。

3.3 擰緊力矩? 層壓板上的夾緊力對于提升機(jī)械連接處的承載能力有著重要的作用，所以，擰緊力矩的大小與承載能力的大小有著緊密的聯(lián)系。對比而言，單就擠壓力大小來說，完全擰緊的螺絲機(jī)械連接可能是銷釘連接的四倍左右。即使用手?jǐn)Q緊螺絲，其擠壓力也比銷釘高一倍。根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)擰緊力矩增大的時候，承載能力也會隨之提升。但擰緊力矩有個峰值，如果力矩超過峰值，承載能力的提升幅度會越來越小，當(dāng)力矩過大的時候，甚至?xí)苯訐p壞層壓板。所以，在合適的范圍內(nèi)提升擰緊力矩能夠有效提升機(jī)械連接的承載能力。

3.4 連接形式? 連接形式能夠?qū)C(jī)械連接的承載能力造成較大的影響。連接方式主要包括單剪連接和雙剪連接兩種。前者由于載荷和擠壓應(yīng)力更不均勻，所以其承載能力可能會低于雙剪模式。而且，當(dāng)層壓板厚度發(fā)生變化的時候，機(jī)械連接的承載能力也會發(fā)生變化，影響的幅度大概在20%左右。

3.5 幾何參數(shù)? 幾何參數(shù)的具體種類較多，主要有寬度、端距、厚度和孔徑等。其中，板寬和孔徑的比值主要影響的是連接處的抗拉伸強(qiáng)度，當(dāng)比值越高的時候，抗拉伸能力便越強(qiáng)。端距和孔距的比值主要影響的是連接處的抗剪切強(qiáng)度，當(dāng)比值增加的時候，抗剪切強(qiáng)度便越大。但這種線性相關(guān)的前提是板寬與孔距的比值大于等于5。

3.6 載荷方向? 載荷方向就是指材料在承受外力的時候，所受外力的方向。載荷方向?qū)C(jī)械連接處承載能力的影響主要和層壓板0°纖維的方向有關(guān)，兩個方向夾角大小的變化將會對復(fù)合材料連接處的承載能力造成較大的影響。但如果材料中±45°層的占比較高，夾角對承載能力的影響程度便會下降。

3.7 沉頭孔? 沉頭孔對連接處的承載能力也有著較大的影響。但板厚不同的時候，沉頭孔對承載能力的影響效果也會有所不同。板厚越大，影響效率越低。以往的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)層壓板厚度相似的時候，沉頭孔對不同鋪層的層壓板的影響幅度是相似的。

3.8 濕熱環(huán)境? 溫度、濕度等自然環(huán)境因素也會對機(jī)械連接處的承載能力造成較大的影響。例如，層壓板在100℃、濕度1%的條件下的擠壓強(qiáng)度和承載能力會顯著低于常溫干爽狀態(tài)。所以，控制環(huán)境中的溫度和濕度對于提升復(fù)合材料機(jī)械連接處的承載能力也有較大的作用。

4? 結(jié)語

綜上所述，分層現(xiàn)象會嚴(yán)重降低復(fù)合材料的質(zhì)量。無論是內(nèi)部分層還是外部分層，都會對復(fù)合材料造成難以修復(fù)的巨大損害。分層對于復(fù)合材料的影響是多層次的。分層會破壞復(fù)合材料的鋪層比例，會打亂復(fù)合材料的鋪層順序。即使復(fù)合材料采用再合理的擰緊力矩和連接形式進(jìn)行機(jī)械連接，只要材料本身存在分層現(xiàn)象，材料本身的性能就難以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。所以，科學(xué)掌握分層的出現(xiàn)原因，明確復(fù)合材料機(jī)械連接處承載能力的影響因素，對于提升復(fù)合材料整體質(zhì)量，推動我國生產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要的作用。

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