復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接研究進(jìn)展

遇家運(yùn)，劉佳，范倍源

摘要復(fù)合材料連接技術(shù)是復(fù)合材料工程應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)合理的連接形式能夠適應(yīng)各種工作條件并充分利用材料性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料對傳統(tǒng)金屬材料的高效替代。本文闡述了航空航天復(fù)合材料常用連接形式的優(yōu)缺點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，綜述了國內(nèi)外在復(fù)合材料機(jī)械連接、膠接連接和混合連接方面的研究進(jìn)展，最后對復(fù)合材料連接的未來發(fā)展方向和價(jià)值意義進(jìn)行展望。本文包含了復(fù)合材料多種因素對不同連接形式的影響，對復(fù)合材料連接形式的理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞復(fù)合材料；機(jī)械連接；膠接連接；混合連接

Research Progress in Structural Connection?of Composite Materials

YU Jiayun，LIU Jia，F(xiàn)AN Beiyuan

（Harbin FRP Institude Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACTThe structural connection technology of composite materials is an important part in the application of composite materials in engineering. Properly designed connection forms can make full use of material properties to meet various working conditions. It can also realize the efficient substitution of composite materials for traditional metals. This paper elaborates the advantages and disadvantages of common connection forms of aerospace composite materials. It reviews the research progress of mechanical connection， adhesive connection and hybrid connection of composite materials at home and abroad. Finally， the future development direction and value significance of composite connection are prospected. The research in the paper includes the influence of various factors in composite materials on different connection forms， which has certain reference value for the research direction， structural design and engineering application of composite material connections.

KEYWORDScomposite materials; mechanical connection; adhesive connection; hybrid connection

1引言

隨著航空航天領(lǐng)域的高速發(fā)展，為達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目標(biāo)，部分主承力結(jié)構(gòu)均采用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料。由于復(fù)合材料的各向異性，其成型加工比金屬材料更加復(fù)雜，連接形式將直接影響載荷傳遞和整體結(jié)構(gòu)性能。設(shè)計(jì)合理的復(fù)合材料連接不但可以最大化發(fā)揮材料的性能，還能有效降低裝配成本，提高裝配效率，為項(xiàng)目研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品成型、質(zhì)量保障提供必要的參考依據(jù)，為設(shè)計(jì)人員提供基本的性能指標(biāo)、仿真模型和試驗(yàn)參數(shù)，使設(shè)計(jì)人員可以快速準(zhǔn)確地選擇連接形式，選擇有利的匹配材料，提高工作效率，為產(chǎn)品檢測的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果指標(biāo)提供對比數(shù)據(jù)，豐富后續(xù)優(yōu)化方向。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接的研究是現(xiàn)階段復(fù)合材料應(yīng)用的重點(diǎn)問題之一，其準(zhǔn)確的預(yù)測方法和驗(yàn)證手段對工程應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的價(jià)值意義。

機(jī)械連接、膠接連接和混合連接是工業(yè)上最常使用的三種復(fù)合材料連接方式［1］。機(jī)械連接，即螺栓/鉚釘連接，因其裝配、拆卸和維修的便捷性以及對不同環(huán)境的抗疲勞性，成為工程中組裝復(fù)合材料部件時(shí)最常使用的連接方法［2］。復(fù)合材料行業(yè)學(xué)者針對影響復(fù)合材料機(jī)械連接極限強(qiáng)度的因素，如連接形式、被連接件幾何尺寸參數(shù)、被連接件材料參數(shù)、緊固件參數(shù)、載荷施加形式等均進(jìn)行過研究。膠接形式的連接強(qiáng)度低于機(jī)械連接，但連接零件少、效率高且不存在集中應(yīng)力，在復(fù)合材料非主要承載部件中也有較多的使用，長期以來在膠接領(lǐng)域的研究也在不斷進(jìn)行。如層合板單搭接膠接接頭的失效形式、破壞狀態(tài)和極限承載的變化等。

由于復(fù)合材料的脆性，機(jī)械連接需要大量螺栓或厚層合板來降低螺栓孔周圍的應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加，膠接雖然沒有以上缺點(diǎn)，但是耐久性差、對溫度和濕度等環(huán)境因素敏感且缺乏合適的無損檢測/檢驗(yàn)（NDT/NDI）技術(shù)，使其難以在主要承載結(jié)構(gòu)中單獨(dú)應(yīng)用［3］。機(jī)械和膠接的混合使用是一個(gè)比較好的替代方案?；旌线B接既能克服膠層抗剝離應(yīng)力弱的特點(diǎn)，又能限制螺栓孔的劈裂破壞。同時(shí)混合連接也有局限性，膠接損傷難以有效預(yù)測，工藝控制困難，載荷主要由膠層承擔(dān)，螺栓作用有限，因此易造成混合連接效率低。本文主要綜述復(fù)合材料多種連接形式的研究現(xiàn)狀，分析相應(yīng)連接形式的優(yōu)缺點(diǎn)，為復(fù)合材料連接方面的深入研究提供參考依據(jù)。

2復(fù)合材料機(jī)械連接研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料機(jī)械連接一般承受拉伸和剪切兩種載荷方式，由于復(fù)合材料孔的拉伸強(qiáng)度較低，故在設(shè)計(jì)時(shí)通常避免復(fù)合材料機(jī)械連接承受面外拉伸載荷。復(fù)合材料機(jī)械連接破壞包含拉伸、剪切、擠壓等多種形式，從既要保證連接的安全性又要提高連接效率的目標(biāo)出發(fā)，破壞形式的選擇決定最終結(jié)構(gòu)能否發(fā)揮設(shè)計(jì)性能。影響復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度的因素（鋪層比例、鋪層順序、擰緊力矩、板寬-孔徑比、端距-孔徑比、孔徑-板厚比等其他尺寸）遠(yuǎn)比金屬材料多，設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮，這也大幅增加了復(fù)合材料連接性能的研究難度。

因復(fù)合材料螺栓連接容易拆卸且能夠傳遞較大的載荷，所以被航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。關(guān)于螺栓連接的連接強(qiáng)度、失效載荷與失效模式，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，Cooper和Turvey［4］研究了拉伸載荷作用下，邊距孔徑比E/D、板寬孔徑比W/D和螺栓預(yù)緊力對拉擠復(fù)合材料雙搭接單螺栓連接接頭損傷起始載荷和最終失效載荷的影響。隨著E/D變大，銷釘連接接頭的失效模式由剪切（E/D<3）轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓（E/D>3）；隨著W/D增大，接頭的破壞模式由拉伸（W/D<4）轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓（W/D>4）。試驗(yàn)分析結(jié)果表明：幾何臨界值（W/D和E/D）隨著螺栓預(yù)載荷的增加而增加，但是結(jié)構(gòu)剛度對E/D的變化不敏感，僅隨著W/D的增加而增加。Park［5］研究了預(yù)緊力和鋪層順序?qū)μ?環(huán)氧復(fù)合材料層合板機(jī)械連接接頭的分層擠壓強(qiáng)度和極限擠壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，螺栓預(yù)緊力可以抑制分層損傷的發(fā)生和層間裂紋的擴(kuò)展，90°鋪層可明顯抑制連接件的分層。

前期關(guān)于復(fù)合材料的研究都是基于二維模型進(jìn)行模擬，而實(shí)際情況是三維模型，這與實(shí)際工程中的應(yīng)用不貼合，后來相關(guān)學(xué)者采用三維模型對其連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。Camanho［6］應(yīng)用ABAQUS軟件建立連接結(jié)構(gòu)的三維模型，對螺栓連接中層合板的分層損傷形式進(jìn)行較全面細(xì)致的分析，提出摩擦力與螺栓預(yù)緊力可有效抑制分層損傷擴(kuò)展。Federico［7］利用ABAQUS有限元分析軟件，采取殼單元建立連接結(jié)構(gòu)的三維模型，對層合板內(nèi)部進(jìn)行失效模式預(yù)估（改進(jìn)Hill失效準(zhǔn)則），進(jìn)而研究分層失效。Zhao等［8］人提出了一種用于單向復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析的三維本構(gòu)模型，該模型考慮了縱向應(yīng)力引起的纖維斷裂面，以及橫向應(yīng)力和纖維-基體剪應(yīng)力產(chǎn)生的與鋪層厚度方向成任意角度的纖維間斷裂面。利用ABAQUS內(nèi)嵌模型計(jì)算復(fù)合材料雙搭接螺栓連接在拉伸載荷下的漸進(jìn)損傷累積和破壞載荷，結(jié)果表明：數(shù)值仿真結(jié)果與螺栓連接接頭靜拉伸試驗(yàn)結(jié)果相吻合。Ahmad等［9］利用三維實(shí)體單元，通過拓展有限元法研究了編織體復(fù)合材料雙搭接螺栓連接結(jié)構(gòu)在拉伸作用下的損傷和斷裂模型，并通過試驗(yàn)證實(shí)數(shù)值模型的可行性。

Liu等［10］基于傳統(tǒng)的失效包絡(luò)線，提出一種改進(jìn)方法，用于預(yù)測復(fù)材多螺栓連接的失效形式和極限強(qiáng)度。將該方法應(yīng)用于兩/四螺栓碳-碳雙搭接接頭并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果表明，該方法能有效地預(yù)測復(fù)合材料雙搭接多螺栓接頭的失效形式，并可測出更精確的極限強(qiáng)度。Zhang等［11］提出了一種新的特征曲線，用于綜合考慮拉伸/壓縮/剪切特征強(qiáng)度。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新的特征曲線方法可以預(yù)測多螺栓搭接接頭的準(zhǔn)確失效形式及載荷。

Qin等［12］通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出凸頭螺栓和沉頭螺栓兩種不同緊固件對復(fù)材機(jī)械連接性能的影響機(jī)理，詳細(xì)闡述緊固件對雙搭接接頭剛度、強(qiáng)度及破壞模式的影響。沉頭螺栓使雙搭接接頭的非線性起始強(qiáng)度降低約32 %，螺帽連接處損傷也比凸頭螺栓大，但緊固件對極限強(qiáng)度的影響很小。此外，間隙對雙搭接接頭的應(yīng)力分布有很大影響。碳纖維單螺栓單搭接平拉試驗(yàn)件和碳纖維單螺栓單搭接平拉有限元仿真模型分別如圖1和圖2所示。

3復(fù)合材料膠接連接研究現(xiàn)狀

復(fù)合材料膠接連接因其外形流線光滑的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天工程，但膠接連接在使用時(shí)也有其自身的限制，如使用環(huán)境、連接件厚度等。膠接連接的破壞模式較為復(fù)雜，受膠層厚度、層合板厚度、層合板表面質(zhì)量、環(huán)境濕度與溫度、搭接長度、加載頻率等因素影響。根據(jù)破壞發(fā)生的位置不同，膠接連接的破壞形式有以下幾種：連接件斷裂、連接件剝離、膠層間的剪切破壞、膠層間的剝離破壞，或者發(fā)生上述破壞形式的組合，由于膠層本身的特殊性使得其在連接部位極易發(fā)生破壞。

現(xiàn)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接連接所使用的大多數(shù)方法是基于L.J.Hart-Smith進(jìn)行的一系列研究，在20世紀(jì)70年代初期NASA/Langley研究中心資助的合同以及70年代中期空軍主膠接結(jié)構(gòu)技術(shù)計(jì)劃（PASBST）的支持下完成。這些工作的最新進(jìn)展是在空軍合同支持下開發(fā)出膠接連接和螺栓連接三個(gè)計(jì)算機(jī)軟件A4EG、A4EI和A4EK。這些成果已經(jīng)在文獻(xiàn)上公開發(fā)表并應(yīng)用于80年代中期NASA的ACEE計(jì)劃。

20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，美國與歐盟先后系統(tǒng)地開展高性能低成本復(fù)合材料連接技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)膠接連接具有避免應(yīng)力集中、提高疲勞壽命、減少螺栓數(shù)量、降低飛機(jī)重量等顯著優(yōu)勢。研究成果得到復(fù)合材料膠接設(shè)計(jì)過程中的主要原則：（1）一般的復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)盡可能采用簡單的一維應(yīng)力分析方法；（2）連接設(shè)計(jì)要保證被膠接件破壞而不是膠層破壞；（3）航空航天膠粘劑的韌性有利于降低膠層中的應(yīng)力峰值；（4）謹(jǐn)慎使用諸如被膠接件斜削之類的方法以減小或消除剝離應(yīng)力；（5）緩慢的低周循環(huán)載荷是影響膠接連接耐久性的主要因素，可通過提供足夠長的搭接長度，來保證膠粘劑受載較小。

復(fù)合材料膠接連接的研究已有多年歷史，起始于Reissner、Volkersen、Goland提出的基本理論，由于其理論普適性強(qiáng)，長時(shí)間內(nèi)被國內(nèi)外科技工作者借鑒應(yīng)用［13-14］。Volkersen針對單搭接形式提出一維桿單元模型理論，將膠接件簡化為一維桿建模，只考慮桿軸向受拉伸產(chǎn)生的變形，膠層只考慮剪切產(chǎn)生的變形而不考慮剝離應(yīng)力帶來的影響。緊接著DE Bruyne將Volkersen的一維桿單元模型理論拓展延伸到雙搭接模型中，發(fā)展成了新的Volkersen/DE Bruyne分析理論［15］。在一維桿單元模型基礎(chǔ)上，Reissner和Goland進(jìn)一步對其進(jìn)行拓展衍生出一維梁單元模型理論，即將膠接件看做梁單元，同時(shí)考慮桿的軸向拉伸變形與桿的彎曲變形［16］。此理論考慮了膠層的剪切與剝離變形，模型更加符合實(shí)際工程應(yīng)用。以上膠接分析理論只考慮了膠層的剪切與剝離，而關(guān)于連接件的剪切變形幾乎沒有考慮，故以上膠接理論只適用于連接件的高抗剪強(qiáng)度，而對于抗剪強(qiáng)度低的連接件則不適用。于是后來的學(xué)者對原有理論進(jìn)行了改進(jìn)形成TOM理論，該理論比一維梁理論模型更多地考慮連接件在實(shí)際工況中的剪切變形，且認(rèn)為剪應(yīng)力沿連接件厚度方向上呈線性分布［17］。張阿盈［18］在TOM理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步假設(shè)：靠近膠層側(cè)厚度的一半方向呈線性分布且發(fā)生剪切變形，也就是說沿厚度方向并不是完全的呈線性分布，同時(shí)給出單搭接、雙搭接時(shí)剪應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

彭?？〉龋?9］針對復(fù)合材料單搭接膠接形式，以厚膠層接頭為基礎(chǔ)，分析設(shè)計(jì)幾何參數(shù)（膠層厚度、搭接長度/寬度、試件接頭厚度/角度等）對膠接接頭性能的影響，并借助ABAQUS有限元仿真計(jì)算和試驗(yàn)手段進(jìn)行接頭強(qiáng)度與失效形式預(yù)測。研究結(jié)果表明：（1）膠層厚度會(huì)影響接頭的破壞形式；（2）接頭搭接寬度與強(qiáng)度近似成正比；（3）接頭搭接長度較短時(shí)為粘附破壞、較長為大面積膠粘劑內(nèi)聚破壞和連接件內(nèi)聚破壞，超過63.5 mm后開始出現(xiàn)分層破壞；（4）接頭連接件厚度越薄，分層破壞的面積越大；（5）45°能在一定程度上提高接頭的極限失效強(qiáng)度。羅書舟等［20］研究不同粘接劑對HTS40/977-2單搭接接頭力學(xué)性能的影響，并進(jìn)行低速?zèng)_擊仿真。結(jié)果表明：低速?zèng)_擊中，粘接劑的性能對接頭的破壞形式及能量吸收有很大影響；粘接劑韌性越低，接頭的損傷越嚴(yán)重，能量吸收也越多；粘接劑韌性越高，接頭損傷越輕，能量吸收也越少。楊本寧等［21］以Tserpes失效準(zhǔn)則及其材料性能退化準(zhǔn)則為基礎(chǔ)進(jìn)行有限元仿真分析，探究各種參數(shù)對復(fù)合材料單搭膠接接頭強(qiáng)度的影響，并得到不同參數(shù)下膠接的失效模式。結(jié)果表明，復(fù)合材料單搭膠接的強(qiáng)度高于鈦合金與復(fù)合材料的單搭膠接強(qiáng)度，且失效形式不同；膠接長度、寬度均會(huì)增加接頭的失效強(qiáng)度且長度比寬度的影響更加明顯；復(fù)材-金屬單搭接的失效形式主要為膠層粘附失效，復(fù)材-復(fù)材單搭接的失效形式主要為部分膠層粘附失效與連接件本體的混合失效。金屬結(jié)構(gòu)件表面涂膠過程如圖3所示。復(fù)合材料板膠接分層仿真變形圖如圖4所示。

4復(fù)合材料混合連接研究現(xiàn)狀

螺栓連接和膠接連接是目前復(fù)合材料最常用的連接方式，但是受各自缺陷的影響，螺栓連接的效率低，導(dǎo)致連接區(qū)域過厚，與之相比膠接連接耐久性較差，對環(huán)境因素敏感而無法廣泛應(yīng)用于航空航天的主承力構(gòu)件中。復(fù)合材料連接特性如表1所示。

因此將兩種連接形式結(jié)合，可使結(jié)構(gòu)具有更高的靜態(tài)和疲勞載荷，有助于結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的承載能力。國內(nèi)外對螺栓連接接頭的力學(xué)性能、破壞模式、影響因素和強(qiáng)度預(yù)測等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究，但是對于混合連接的研究卻十分有限。20世紀(jì)80年代，L.J.Hart Smith［22］首先使用應(yīng)力集中系數(shù)來預(yù)測機(jī)械連接的強(qiáng)度，作為保險(xiǎn)性結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)使用以提高損傷容限。90年代中期，Kolks［23］和Steward［24］重新研究了Hart Smith的工作，進(jìn)一步推廣了混合連接形式的應(yīng)用，近年來，國內(nèi)外科研學(xué)者對復(fù)合材料混合連接做了大量的研究。盡管如此，工程中關(guān)于復(fù)合材料混合連接技術(shù)的知識仍處于研發(fā)的早期階段，需要進(jìn)行更深入的實(shí)踐，以達(dá)到與膠接或螺栓連接技術(shù)相同的應(yīng)用水平。

Kweon等［25］分析使用FM73薄膜粘合劑和EA9394S粘合劑的復(fù)合材料/鋁雙搭接接頭的失效載荷和模式。結(jié)果表明，使用薄膜粘合劑的混合接頭強(qiáng)度與膠接接頭的強(qiáng)度幾乎相同，使用粘性膠粘劑的混合接頭強(qiáng)度比膠粘和螺栓接頭的組合強(qiáng)度高84 %。Lopez-Cruz等［26］應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法定量評估了幾個(gè)因素對混合連接接頭強(qiáng)度的影響。研究因素包括層合板厚度、膠粘劑模量、膠層厚度、螺栓孔間隙和連接面積。研究結(jié)果表明混合連接接頭強(qiáng)度高于螺栓或膠接連接，并通過試驗(yàn)獲得了膠/螺混合連接接頭的止裂性能。文章說明混合連接接頭的強(qiáng)度主要由膠層厚度、膠粘劑性能和螺栓孔間隙決定。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混合連接強(qiáng)度和敏感性參數(shù)分析中，鐘鳴遠(yuǎn)［27］以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料H型夾層為研究對象，探討了連接形式和各種工況對連接處應(yīng)力、損傷分布和失效形式的影響，并總結(jié)了腹板高度、厚度等幾何參數(shù)以及粘接層厚度、孔端距、孔徑等參數(shù)對混合連接接頭的影響規(guī)律。Lee等［28］研究了復(fù)合材料/鋼雙搭接接頭不同連接形式的性能，膠粘劑同樣采用FM73，并分析復(fù)材板厚度、板寬孔徑比（W/D）和邊距孔徑比（E/D）三種參數(shù)對連接接頭的強(qiáng)度影響。結(jié)論為膠/螺混合連接接頭的極限載荷與膠接接頭的極限載荷幾乎相同，但至少為單機(jī)械連接（螺栓）接頭極限強(qiáng)度的兩倍。Chowdhury等［29］比較了螺栓連接、膠接連接和膠/螺混合連接接頭的靜態(tài)強(qiáng)度和抗疲勞性能，以及緊固件排列、粘接強(qiáng)度和初始缺陷對接頭的影響。疲勞試驗(yàn)表明，混合連接、螺栓連接和膠接的耐久性依次降低；靜載試驗(yàn)表明，混合連接接頭相比于膠接的峰值強(qiáng)度變化非常小，混合連接中緊固件降低了剝離應(yīng)力，并防止膠粘層中的裂紋擴(kuò)展。緊固件還可以作為防止膠粘劑失效的保護(hù)措施，尤其針對含有缺陷的膠粘層，可防止突發(fā)和災(zāi)難性失效。馬毓等［30］比較分析了預(yù)制孔-涂膠-安裝-固化和涂膠-固化-安裝兩種工藝制成的膠/螺混合連接接頭之間的載荷傳遞機(jī)制和變形協(xié)調(diào)條件的差異。研究結(jié)果表明，膠/螺混合連接接頭的載荷傳遞機(jī)理和承載能力與制造工藝密切相關(guān)。而后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)對比的方法進(jìn)行了參數(shù)分析［31］，研究膠-螺混合接頭承載力影響較大的因素：緊固件位置、剛度等參數(shù)，分析了承載力計(jì)算公式的適用范圍。研究結(jié)果表明，接頭的破壞形式和承載力受接頭幾何參數(shù)變化的影響，現(xiàn)有的承載力計(jì)算方法存在適用范圍的限制。Bodjona等［32］采用三維有限元模型，分析了單螺栓單搭接膠/螺混合連接接頭的全局靈敏度，量化了不同參數(shù)對連接處載荷分布的控制性。結(jié)果表明膠粘劑屈服強(qiáng)度為主要因素，其取決于施加在接頭上的載荷量級。而且接頭的E/D比、膠粘劑硬化斜率和膠粘劑厚度也是影響載荷分擔(dān)的重要因素。為了提高膠/螺混合接頭的載荷分擔(dān)，Raju等［33］使用三維有限元模型，開發(fā)一種新的混合連接接頭設(shè)計(jì)方法，該方法使用過盈配合螺栓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的緊配合或間隙配合螺栓。結(jié)果表明過盈配合膠/螺混合連接接頭的載荷分擔(dān)比緊配合膠/螺混合接頭高出約10 %。

上世紀(jì)八、九十年代，隨著膠粘劑材料的不斷發(fā)展，國內(nèi)航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料領(lǐng)域中混合連接應(yīng)用增多，學(xué)者將膠接與機(jī)械連接相結(jié)合，利用有限元法進(jìn)行混合連接的初步探究。2000年李煊等［34］采用有限元方法（有限元程序已經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證與試驗(yàn)值較接近）分析了連接區(qū)長度、螺釘個(gè)數(shù)及膠層剛度對混合連接接頭靜強(qiáng)度的影響，同期推導(dǎo)了十六節(jié)點(diǎn)膠單元、二節(jié)點(diǎn)釘單元和基于一階剪切變形理論的八節(jié)點(diǎn)板單元，以此基礎(chǔ)開發(fā)復(fù)合材料平板結(jié)構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)中混合連接件的有限元分析軟件。

經(jīng)過近些年的發(fā)展，混合連接的強(qiáng)度分析已成為主流的研究方向。2021年鄒鵬等［35］總結(jié)了國內(nèi)外膠螺混合連接在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的研究進(jìn)展，指出膠螺混合接頭能吸收大量斷裂過程中的能量，但機(jī)理尚不明確且有限元方法中的漸進(jìn)損傷剛度折減方法尚未明確。同期劉禮平等人采用基于斷裂能斷裂準(zhǔn)則的連續(xù)漸進(jìn)退化方式，仿真CFRP層合板剛度退化，采用基于能量的B-K準(zhǔn)則仿真膠層損傷演化，研究碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板單搭接雙螺栓膠螺混合連接失效機(jī)制。2021年王海波等［36］采用有限元方法對復(fù)合材料層合板之間膠鉚連接進(jìn)行研究，表明金屬-層合板拉剪強(qiáng)度高出層合板-層合板連接約12 %，且膠鉚連接不易發(fā)生疲勞破壞。同期檀甜甜等［37］對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在不同鉚接方式下的連接強(qiáng)度對比分析，尋找滿足產(chǎn)品質(zhì)量和適用裝配的連接方法，為碳纖維復(fù)合材料在重型運(yùn)載等新一代運(yùn)載火箭中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

通常影響復(fù)合材料混合連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能因素很復(fù)雜，膠層的厚度和層合板的幾何參數(shù)均包括在內(nèi)。其載荷傳遞機(jī)理不同于單一連接方式，理論上還缺乏系統(tǒng)的研究。與粘接接頭和機(jī)械連接接頭相比，有限元分析和測試的研究成果并不豐富［38］。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的現(xiàn)有研究表明，膠/螺混合連接形式在大部分結(jié)構(gòu)連接中，能夠提高其極限承載力，并且層合板的尺寸、鋪層、材質(zhì)、界面性能、工藝方法以及機(jī)械加工等因素都會(huì)對其載荷傳遞、內(nèi)部應(yīng)力分布、缺陷擴(kuò)展和極限承載等性能造成不同程度的影響。金屬-復(fù)材結(jié)構(gòu)膠螺混合連接如圖5所示。

5復(fù)合材料連接研究展望

復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)外高性能纖維及復(fù)合材料的研究也在高速發(fā)展，復(fù)合材料表現(xiàn)出的優(yōu)良性能也使其逐步從替代減重轉(zhuǎn)變到優(yōu)化節(jié)約。復(fù)合材料制造技術(shù)的特性更利于零件的一體化設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品零件和結(jié)構(gòu)連接數(shù)量、減輕結(jié)構(gòu)重量、縮短裝配和檢驗(yàn)流程、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約制造成本，從而提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)效率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連接是最富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一，隨著復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性提升，連接的數(shù)量和產(chǎn)品質(zhì)量變得越來越重要，通常出現(xiàn)在復(fù)合材料主要部件與金屬部件或零件的過渡區(qū)域，引起幾何形狀中斷和材料的不連續(xù)，造成局部高應(yīng)力區(qū)，對復(fù)材的整體性能發(fā)揮產(chǎn)生巨大的影響。

復(fù)材連接仿真算法的研究可以從前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段對復(fù)合材料連接位置進(jìn)行規(guī)劃，在滿足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性的前提下對連接部位進(jìn)行局部優(yōu)化，降低由于不連續(xù)性而對材料和結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮產(chǎn)生的折扣，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率?？紤]連接形式及連接處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，對于后期復(fù)材成型工藝及機(jī)械加工過程也有一定幫助，局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以達(dá)到減少多余材料用量、工藝實(shí)施便捷、減小機(jī)械加工破壞程度等效果，研究試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)也能為材料及產(chǎn)品測試提供參考依據(jù)。今后的研究應(yīng)對已有成熟的連接形式不斷優(yōu)化，在提高連接性能的同時(shí)降低工藝成本，研發(fā)出更加經(jīng)濟(jì)有效的新連接方式，不斷推進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展。

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