復合材料結構連接研究進展

遇家運，劉佳，范倍源

摘要復合材料連接技術是復合材料工程應用中的重要環節，設計合理的連接形式能夠適應各種工作條件并充分利用材料性能，實現復合材料對傳統金屬材料的高效替代。本文闡述了航空航天復合材料常用連接形式的優缺點及研究現狀，綜述了國內外在復合材料機械連接、膠接連接和混合連接方面的研究進展，最后對復合材料連接的未來發展方向和價值意義進行展望。本文包含了復合材料多種因素對不同連接形式的影響，對復合材料連接形式的理論研究、結構設計及工程應用具有一定的參考價值。

關鍵詞復合材料；機械連接；膠接連接；混合連接

Research Progress in Structural Connection?of Composite Materials

YU Jiayun，LIU Jia，FAN 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

隨著航空航天領域的高速發展，為達到輕質高強的目標，部分主承力結構均采用復合材料代替傳統金屬材料。由于復合材料的各向異性，其成型加工比金屬材料更加復雜，連接形式將直接影響載荷傳遞和整體結構性能。設計合理的復合材料連接不但可以最大化發揮材料的性能，還能有效降低裝配成本，提高裝配效率，為項目研發、結構設計、產品成型、質量保障提供必要的參考依據，為設計人員提供基本的性能指標、仿真模型和試驗參數，使設計人員可以快速準確地選擇連接形式，選擇有利的匹配材料，提高工作效率，為產品檢測的試驗設計及結果指標提供對比數據，豐富后續優化方向。復合材料結構連接的研究是現階段復合材料應用的重點問題之一，其準確的預測方法和驗證手段對工程應用具有深遠的價值意義。

機械連接、膠接連接和混合連接是工業上最常使用的三種復合材料連接方式［1］。機械連接，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境的抗疲勞性，成為工程中組裝復合材料部件時最常使用的連接方法［2］。復合材料行業學者針對影響復合材料機械連接極限強度的因素，如連接形式、被連接件幾何尺寸參數、被連接件材料參數、緊固件參數、載荷施加形式等均進行過研究。膠接形式的連接強度低于機械連接，但連接零件少、效率高且不存在集中應力，在復合材料非主要承載部件中也有較多的使用，長期以來在膠接領域的研究也在不斷進行。如層合板單搭接膠接接頭的失效形式、破壞狀態和極限承載的變化等。

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

2復合材料機械連接研究現狀

復合材料機械連接一般承受拉伸和剪切兩種載荷方式，由于復合材料孔的拉伸強度較低，故在設計時通常避免復合材料機械連接承受面外拉伸載荷。復合材料機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出發，破壞形式的選擇決定最終結構能否發揮設計性能。影響復合材料機械連接強度的因素（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）遠比金屬材料多，設計中需重點考慮，這也大幅增加了復合材料連接性能的研究難度。

因復合材料螺栓連接容易拆卸且能夠傳遞較大的載荷，所以被航空航天領域廣泛應用。關于螺栓連接的連接強度、失效載荷與失效模式，國內外學者進行了大量的理論研究和試驗驗證，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和螺栓預緊力對拉擠復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）轉變為擠壓（E/D>3）；隨著W/D增大，接頭的破壞模式由拉伸（W/D<4）轉變為擠壓（W/D>4）。試驗分析結果表明：幾何臨界值（W/D和E/D）隨著螺栓預載荷的增加而增加，但是結構剛度對E/D的變化不敏感，僅隨著W/D的增加而增加。Park［5］研究了預緊力和鋪層順序對碳/環氧復合材料層合板機械連接接頭的分層擠壓強度和極限擠壓強度的影響。結果表明，螺栓預緊力可以抑制分層損傷的發生和層間裂紋的擴展，90°鋪層可明顯抑制連接件的分層。

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

Liu等［10］基于傳統的失效包絡線，提出一種改進方法，用于預測復材多螺栓連接的失效形式和極限強度。將該方法應用于兩/四螺栓碳-碳雙搭接接頭并與試驗數據進行比對，結果表明，該方法能有效地預測復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/剪切特征強度。仿真及試驗結果表明，采用新的特征曲線方法可以預測多螺栓搭接接頭的準確失效形式及載荷。

Qin等［12］通過仿真分析和試驗驗證，提出凸頭螺栓和沉頭螺栓兩種不同緊固件對復材機械連接性能的影響機理，詳細闡述緊固件對雙搭接接頭剛度、強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，但緊固件對極限強度的影響很小。此外，間隙對雙搭接接頭的應力分布有很大影響。碳纖維單螺栓單搭接平拉試驗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復合材料膠接連接研究現狀

復合材料膠接連接因其外形流線光滑的特點而被廣泛應用于航空航天工程，但膠接連接在使用時也有其自身的限制，如使用環境、連接件厚度等。膠接連接的破壞模式較為復雜，受膠層厚度、層合板厚度、層合板表面質量、環境濕度與溫度、搭接長度、加載頻率等因素影響。根據破壞發生的位置不同，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生破壞。

現在復合材料結構膠接連接所使用的大多數方法是基于L.J.Hart-Smith進行的一系列研究，在20世紀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構技術計劃（PASBST）的支持下完成。這些工作的最新進展是在空軍合同支持下開發出膠接連接和螺栓連接三個計算機軟件A4EG、A4EI和A4EK。這些成果已經在文獻上公開發表并應用于80年代中期NASA的ACEE計劃。

20世紀90年代至21世紀初，美國與歐盟先后系統地開展高性能低成本復合材料連接技術研究，發現膠接連接具有避免應力集中、提高疲勞壽命、減少螺栓數量、降低飛機重量等顯著優勢。研究成果得到復合材料膠接設計過程中的主要原則：（1）一般的復合材料連接設計盡可能采用簡單的一維應力分析方法；（2）連接設計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力峰值；（4）謹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力；（5）緩慢的低周循環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，長時間內被國內外科技工作者借鑒應用［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生的變形，膠層只考慮剪切產生的變形而不考慮剝離應力帶來的影響。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，發展成了新的Volkersen/DE Bruyne分析理論［15］。在一維桿單元模型基礎上，Reissner和Goland進一步對其進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，模型更加符合實際工程應用。以上膠接分析理論只考慮了膠層的剪切與剝離，而關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度，而對于抗剪強度低的連接件則不適用。于是后來的學者對原有理論進行了改進形成TOM理論，該理論比一維梁理論模型更多地考慮連接件在實際工況中的剪切變形，且認為剪應力沿連接件厚度方向上呈線性分布［17］。張阿盈［18］在TOM理論的基礎上進一步假設：靠近膠層側厚度的一半方向呈線性分布且發生剪切變形，也就是說沿厚度方向并不是完全的呈線性分布，同時給出單搭接、雙搭接時剪應力的經驗計算公式。

彭海俊等［19］針對復合材料單搭接膠接形式，以厚膠層接頭為基礎，分析設計幾何參數（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有限元仿真計算和試驗手段進行接頭強度與失效形式預測。研究結果表明：（1）膠層厚度會影響接頭的破壞形式；（2）接頭搭接寬度與強度近似成正比；（3）接頭搭接長度較短時為粘附破壞、較長為大面積膠粘劑內聚破壞和連接件內聚破壞，超過63.5 mm后開始出現分層破壞；（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度。羅書舟等［20］研究不同粘接劑對HTS40/977-2單搭接接頭力學性能的影響，并進行低速沖擊仿真。結果表明：低速沖擊中，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失效準則及其材料性能退化準則為基礎進行有限元仿真分析，探究各種參數對復合材料單搭膠接接頭強度的影響，并得到不同參數下膠接的失效模式。結果表明，復合材料單搭膠接的強度高于鈦合金與復合材料的單搭膠接強度，且失效形式不同；膠接長度、寬度均會增加接頭的失效強度且長度比寬度的影響更加明顯；復材-金屬單搭接的失效形式主要為膠層粘附失效，復材-復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。金屬結構件表面涂膠過程如圖3所示。復合材料板膠接分層仿真變形圖如圖4所示。

4復合材料混合連接研究現狀

螺栓連接和膠接連接是目前復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，導致連接區域過厚，與之相比膠接連接耐久性較差，對環境因素敏感而無法廣泛應用于航空航天的主承力構件中。復合材料連接特性如表1所示。

因此將兩種連接形式結合，可使結構具有更高的靜態和疲勞載荷，有助于結構達到最佳的承載能力。國內外對螺栓連接接頭的力學性能、破壞模式、影響因素和強度預測等內容進行了深入研究，但是對于混合連接的研究卻十分有限。20世紀80年代，L.J.Hart Smith［22］首先使用應力集中系數來預測機械連接的強度，作為保險性結構的修補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，進一步推廣了混合連接形式的應用，近年來，國內外科研學者對復合材料混合連接做了大量的研究。盡管如此，工程中關于復合材料混合連接技術的知識仍處于研發的早期階段，需要進行更深入的實踐，以達到與膠接或螺栓連接技術相同的應用水平。

Kweon等［25］分析使用FM73薄膜粘合劑和EA9394S粘合劑的復合材料/鋁雙搭接接頭的失效載荷和模式。結果表明，使用薄膜粘合劑的混合接頭強度與膠接接頭的強度幾乎相同，使用粘性膠粘劑的混合接頭強度比膠粘和螺栓接頭的組合強度高84 %。Lopez-Cruz等［26］應用試驗設計（DOE）方法定量評估了幾個因素對混合連接接頭強度的影響。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。研究結果表明混合連接接頭強度高于螺栓或膠接連接，并通過試驗獲得了膠/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。在纖維增強復合材料混合連接強度和敏感性參數分析中，鐘鳴遠［27］以玻璃纖維增強復合材料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力、損傷分布和失效形式的影響，并總結了腹板高度、厚度等幾何參數以及粘接層厚度、孔端距、孔徑等參數對混合連接接頭的影響規律。Lee等［28］研究了復合材料/鋼雙搭接接頭不同連接形式的性能，膠粘劑同樣采用FM73，并分析復材板厚度、板寬孔徑比（W/D）和邊距孔徑比（E/D）三種參數對連接接頭的強度影響。結論為膠/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，但至少為單機械連接（螺栓）接頭極限強度的兩倍。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強度和抗疲勞性能，以及緊固件排列、粘接強度和初始缺陷對接頭的影響。疲勞試驗表明，混合連接、螺栓連接和膠接的耐久性依次降低；靜載試驗表明，混合連接接頭相比于膠接的峰值強度變化非常小，混合連接中緊固件降低了剝離應力，并防止膠粘層中的裂紋擴展。緊固件還可以作為防止膠粘劑失效的保護措施，尤其針對含有缺陷的膠粘層，可防止突發和災難性失效。馬毓等［30］比較分析了預制孔-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制和變形協調條件的差異。研究結果表明，膠/螺混合連接接頭的載荷傳遞機理和承載能力與制造工藝密切相關。而后針對膠層與螺栓可以協調變形的膠-螺混合連接接頭，通過理論分析與試驗對比的方法進行了參數分析［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，分析了承載力計算公式的適用范圍。研究結果表明，接頭的破壞形式和承載力受接頭幾何參數變化的影響，現有的承載力計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，量化了不同參數對連接處載荷分布的控制性。結果表明膠粘劑屈服強度為主要因素，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的重要因素。為了提高膠/螺混合接頭的載荷分擔，Raju等［33］使用三維有限元模型，開發一種新的混合連接接頭設計方法，該方法使用過盈配合螺栓代替傳統的緊配合或間隙配合螺栓。結果表明過盈配合膠/螺混合連接接頭的載荷分擔比緊配合膠/螺混合接頭高出約10 %。

上世紀八、九十年代，隨著膠粘劑材料的不斷發展，國內航天結構復合材料領域中混合連接應用增多，學者將膠接與機械連接相結合，利用有限元法進行混合連接的初步探究。2000年李煊等［34］采用有限元方法（有限元程序已經試驗驗證與試驗值較接近）分析了連接區長度、螺釘個數及膠層剛度對混合連接接頭靜強度的影響，同期推導了十六節點膠單元、二節點釘單元和基于一階剪切變形理論的八節點板單元，以此基礎開發復合材料平板結構和殼體結構中混合連接件的有限元分析軟件。

經過近些年的發展，混合連接的強度分析已成為主流的研究方向。2021年鄒鵬等［35］總結了國內外膠螺混合連接在復合材料結構中的研究進展，指出膠螺混合接頭能吸收大量斷裂過程中的能量，但機理尚不明確且有限元方法中的漸進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則的連續漸進退化方式，仿真CFRP層合板剛度退化，采用基于能量的B-K準則仿真膠層損傷演化，研究碳纖維增強樹脂基復合材料層合板單搭接雙螺栓膠螺混合連接失效機制。2021年王海波等［36］采用有限元方法對復合材料層合板之間膠鉚連接進行研究，表明金屬-層合板拉剪強度高出層合板-層合板連接約12 %，且膠鉚連接不易發生疲勞破壞。同期檀甜甜等［37］對碳纖維復合材料結構件在不同鉚接方式下的連接強度對比分析，尋找滿足產品質量和適用裝配的連接方法，為碳纖維復合材料在重型運載等新一代運載火箭中的應用提供指導。

通常影響復合材料混合連接結構的力學性能因素很復雜，膠層的厚度和層合板的幾何參數均包括在內。其載荷傳遞機理不同于單一連接方式，理論上還缺乏系統的研究。與粘接接頭和機械連接接頭相比，有限元分析和測試的研究成果并不豐富［38］。根據國內外學者的現有研究表明，膠/螺混合連接形式在大部分結構連接中，能夠提高其極限承載力，并且層合板的尺寸、鋪層、材質、界面性能、工藝方法以及機械加工等因素都會對其載荷傳遞、內部應力分布、缺陷擴展和極限承載等性能造成不同程度的影響。金屬-復材結構膠螺混合連接如圖5所示。

5復合材料連接研究展望

復合材料在航空航天領域的應用越來越廣泛，國內外高性能纖維及復合材料的研究也在高速發展，復合材料表現出的優良性能也使其逐步從替代減重轉變到優化節約。復合材料制造技術的特性更利于零件的一體化設計，降低產品零件和結構連接數量、減輕結構重量、縮短裝配和檢驗流程、提高生產效率、節約制造成本，從而提高產品的結構強度和結構效率。在結構設計尤其是復合材料結構設計中，連接是最富有挑戰性的任務之一，隨著復合材料制品的結構復雜性提升，連接的數量和產品質量變得越來越重要，通常出現在復合材料主要部件與金屬部件或零件的過渡區域，引起幾何形狀中斷和材料的不連續，造成局部高應力區，對復材的整體性能發揮產生巨大的影響。

復材連接仿真算法的研究可以從前期結構設計階段對復合材料連接位置進行規劃，在滿足結構剛度、強度及穩定性的前提下對連接部位進行局部優化，降低由于不連續性而對材料和結構性能發揮產生的折扣，提高產品設計效率?？紤]連接形式及連接處的結構優化處理，對于后期復材成型工藝及機械加工過程也有一定幫助，局部的優化設計可以達到減少多余材料用量、工藝實施便捷、減小機械加工破壞程度等效果，研究試驗過程的數據也能為材料及產品測試提供參考依據。今后的研究應對已有成熟的連接形式不斷優化，在提高連接性能的同時降低工藝成本，研發出更加經濟有效的新連接方式，不斷推進復合材料的應用與發展。

參 考 文 獻

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