分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响

戚航

摘要：复合材料是利用各种材料制备技术将多种材料组合在一起，以实现材料性能的大幅度提升。复合材料在现代社会中的应用十分广泛，在各种工业领域或制造领域中，复合材料的优秀性能可以为产品设计提供更多的可能性。机械连接是一种常用的复合材料连接方式，机械连接结构的承载能力将直接决定复合材料的性能。但是，分层对于承载能力的破坏能力是巨大的。所以，本研究以分层现象为主要示例，探讨各类因素对复合材料机械连接结构承载能力的影响。

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.

關键词：分层;复合材料;机械连接结构;承载能力

0  引言

复合材料具有良好的可设计性，可以根据需要，设计出满足要求的弹性属性和刚度属性，在飞机制造领域应用极为广泛，是飞机先进性的关键指标。机械连接是一种常用的复合材料连接方式，受共固化等工艺水平的限制，飞机结构中的一些关键部位需要采用机械连接方式，分层是复合材料出现质量问题的最主要原因，它会严重降低复合材料的受力能力，从而降低机械连接结构的承载能力。在飞机结构损坏中，连接部位损坏占比可达70%，因此，科学掌握分层现象对于复合材料机械连接结构承载能力的影响，对进一步强化飞机结构、改善飞行器性能具有重大的意义。

1  复合材料机械连接的特点

机械连接的主要方式是利用紧固件固定复合材料，主要的方式是螺栓和销钉。而且，由于螺栓的受力能力更强，所以螺栓是最普遍的机械连接方式。在成本允许的情况下，主要的承载力结构都由螺栓来进行连接和固定。螺栓的结构也能保证其可拆卸功能[1]。

机械连接的优点主要分为以下几个方面：①方便进行设备检修，提高连接的稳定性;②方便进行重复拆卸，降低制造和维修成本;③需要连接的零件表面无需进行过多处理;④不需要胶类物质固定，无残余受力;⑤环境造成的恶劣影响较小。

机械连接也有与优点并存的缺点，主要分为以下几个方面：①螺栓附近会有高于其他位置的受力，提升了材料损坏的可能;②为了适应螺栓带来的不均匀受力，层压板可能要进行加厚处理，增加材料的实际重量，增加成本;③螺栓所需的孔洞工艺成本较大，且容易在操作过程中出现孔洞的破坏而导致对材料的损坏;④紧固件易与材料发生电偶腐蚀，损坏紧固件和材料。

2  复合材料的分层

2.1 分层的常见原因  分层出现的主要原因是曲率构件和变厚度载面。在现代的材料市场中，常见的曲率构件的结构是扇形、管状、圆柱体和球体[2]。变厚度载面则主要应用于层压板较薄或补强件与补强件相连接的地方，在自由边界处的应用量也比较大。在这些构件中，分层现象出现的概率比较高。如果两个铺层受到了法向或剪切向的力，就会很容易出现脱胶或破裂现象。而且，在使用了曲率构件或变厚度载面后，环境中的温度、层压板的制作过程和紧固件的工作状态都有可能导致分层现象的出现。在早晚温差较大的天气中，如果层压板的铺层种类不一样，复合材料产生的分层程度也会有所区别。工作环境的温度条件会造成复合材料的膨胀，当膨化程度不同的时候，层压板所受的压力自然也不相同。这些因素都会导致复合材料出现分层。由于层压板在制作过程中也会出现种种误差，这些误差的存在也会造成较多的开裂现象。

2.2 分层的主要类型  复合材料的分层类型主要有两种，分别是内部分层和外部分层。内部分层的主要故障部位是层压板的内部，由于内部铺板中含有大量的树脂，树脂会与内部铺板发生作用，从而导致了分层现象的出现，这种内部分层的现象会导致复合材料的内部结构受损。内部结构的损伤不会在正常状况下表现出来，但如果复合材料投入了使用，在使用中受力较大时，内部的损伤会降低材料的受力能力，从而导致材料的损毁[3]。所以，要在复合材料的制作过程中严格控制树脂的含量，防止内部分层现象的出现。在刚刚出现分层的时候，由于分层程度不高，材料的弯曲程度比较小，但这个弯曲程度会随着时间的流逝而逐渐加大，并最终降低连接处的连接质量，降低连接结构的承载能力。外部分层的位置是在接近表面的内部，外部分层的解决难度要远高于内部分层，由于外部分层的出现原因较为复杂，分层部位由于太靠近表面，所以可能会受到表面连接处的应力作用，所以解决外部分层问题基本都需要进行特定情况的专门分析，才能够解决外部分层的问题。

2.3 分层的危害  复合材料重要的特点之一便是坚固，由于复合材料较为坚固，所以制作技术较为精良的复合材料甚至能够应用于先进的军事武器制造[4]。在实际的制作过程中，制作商通过对材料的质量检验，发现复合材料的质量不合格现象基本都是由分层导致的。分层现象导致复合材料的内部物理结构受到了很大程度的破坏，使复合材料的综合性能（例如延展性、承载力等）远远低于制造标准。如果使用这种劣质的复合材料进行制造，将会极大降低产品的质量，从而导致产品在出厂检验的过程中被淘汰。而且，一旦完成了复合材料的融合步骤，就很难再解决其内部的结构问题，所以，分层现象一旦出现，危害将是巨大的。

3  影响复合材料机械连接承载能力的主要因素

影响复合材料机械连接承载能力的因素比较多，这些复杂的因素会从各种方面影响连接处的承载能力。总体上说，影响因素如表1所示。

根据表1所示的影响因素可知，对于连接承载能力的计算通常使用破坏连接时的对应受力来计算，即如下列公式所示：

公式中的Pult代表破坏载荷，D代表孔径，t代表层压板厚度。

3.1 铺层比例  复合材料中所采用的层压板大多是由多种单向铺层组成，不同种类单向铺层的占比将会对复合材料的结构承载能力产生较大的影响，其中，±45°层的占比对于层压板的承载能力影响最大。当±45°层的占比过低时，层压板就会非常容易出现剪切或劈裂的现象，造成材料的损毁。所以，±45°层的含量越大时，机械连接的整体承载能力便会随之提高。正常情况下，±45°层在机械连接中的占比要高于40%，0°层的占比要高于25%，90°层的占比要控制在10%到25%之间。需要注意的是，如果±45°层的占比过高，机械连接的承载能力也会相应下降[5]。

3.2 铺层顺序  铺层顺序是指层压板的铺设顺序。当铺层顺序发生改变之后，复合材料机械连接处的受力方式也会随之变化，从而影响其承载能力。在一般情况下，承载能力会随着0°层的结合比例的提升而线性降低。

3.3 拧紧力矩  层压板上的夹紧力对于提升机械连接处的承载能力有着重要的作用，所以，拧紧力矩的大小与承载能力的大小有着紧密的联系。对比而言，单就挤压力大小来说，完全拧紧的螺丝机械连接可能是销钉连接的四倍左右。即使用手拧紧螺丝，其挤压力也比销钉高一倍。根据以往的实验可以看出，当拧紧力矩增大的时候，承载能力也会随之提升。但拧紧力矩有个峰值，如果力矩超过峰值，承载能力的提升幅度会越来越小，当力矩过大的时候，甚至会直接损坏层压板。所以，在合适的范围内提升拧紧力矩能够有效提升机械连接的承载能力。

3.4 连接形式  连接形式能够对机械连接的承载能力造成较大的影响。连接方式主要包括单剪连接和双剪连接两种。前者由于载荷和挤压应力更不均匀，所以其承载能力可能会低于双剪模式。而且，当层压板厚度发生变化的时候，机械连接的承载能力也会发生变化，影响的幅度大概在20%左右。

3.5 几何参数  几何参数的具体种类较多，主要有宽度、端距、厚度和孔径等。其中，板宽和孔径的比值主要影响的是连接处的抗拉伸强度，当比值越高的时候，抗拉伸能力便越强。端距和孔距的比值主要影响的是连接处的抗剪切强度，当比值增加的时候，抗剪切强度便越大。但这种线性相关的前提是板宽与孔距的比值大于等于5。

3.6 载荷方向  载荷方向就是指材料在承受外力的时候，所受外力的方向。载荷方向对机械连接处承载能力的影响主要和层压板0°纤维的方向有关，两个方向夹角大小的变化将会对复合材料连接处的承载能力造成较大的影响。但如果材料中±45°层的占比较高，夹角对承载能力的影响程度便会下降。

3.7 沉头孔  沉头孔对连接处的承载能力也有着较大的影响。但板厚不同的时候，沉头孔对承载能力的影响效果也会有所不同。板厚越大，影响效率越低。以往的试验结果表明，当层压板厚度相似的时候，沉头孔对不同铺层的层压板的影响幅度是相似的。

3.8 湿热环境  温度、湿度等自然环境因素也会对机械连接处的承载能力造成较大的影响。例如，层压板在100℃、湿度1%的条件下的挤压强度和承载能力会显著低于常温干爽状态。所以，控制环境中的温度和湿度对于提升复合材料机械连接处的承载能力也有较大的作用。

4  结语

综上所述，分层现象会严重降低复合材料的质量。无论是内部分层还是外部分层，都会对复合材料造成难以修复的巨大损害。分层对于复合材料的影响是多层次的。分层会破坏复合材料的铺层比例，会打乱复合材料的铺层顺序。即使复合材料采用再合理的拧紧力矩和连接形式进行机械连接，只要材料本身存在分层现象，材料本身的性能就难以达到使用标准。所以，科学掌握分层的出现原因，明确复合材料机械连接处承载能力的影响因素，对于提升复合材料整体质量，推动我国生产业发展有着重要的作用。

参考文献：

[1]王明明，张宏建，徐颖，等.含初始分层复合材料层合板压缩剩余强度计算[J].航空发动机，2019，45（003）：44-50.

[2]方际澄，于哲峰.含分层损伤复合材料层压板低速冲击模型刚度计算方法[J].复合材料学报，2018，35（10）：2768-2776.

[3]梁言，杨云霞，龙连春.含分层缺陷复合材料层合板热力耦合下的屈曲分析[C].北京力学会第二十三届学术年会会议论文集.2017.

[4]李圣贤，朱永凯，王海涛，等.复合材料分层缺陷的激光超声检测[J].期刊论文，2019，41（5）.

[5]沙風焕，张铱鈖.内部分层对复合材料层合板承载能力的影响[J].太原理工大学学报，1999，030（004）：371-374.