复合材料结构连接研究进展

遇家运，刘佳，范倍源

摘要复合材料连接技术是复合材料工程应用中的重要环节，设计合理的连接形式能够适应各种工作条件并充分利用材料性能，实现复合材料对传统金属材料的高效替代。本文阐述了航空航天复合材料常用连接形式的优缺点及研究现状，综述了国内外在复合材料机械连接、胶接连接和混合连接方面的研究进展，最后对复合材料连接的未来发展方向和价值意义进行展望。本文包含了复合材料多种因素对不同连接形式的影响，对复合材料连接形式的理论研究、结构设计及工程应用具有一定的参考价值。

关键词复合材料；机械连接；胶接连接；混合连接

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

随着航空航天领域的高速发展，为达到轻质高强的目标，部分主承力结构均采用复合材料代替传统金属材料。由于复合材料的各向异性，其成型加工比金属材料更加复杂，连接形式将直接影响载荷传递和整体结构性能。设计合理的复合材料连接不但可以最大化发挥材料的性能，还能有效降低装配成本，提高装配效率，为项目研发、结构设计、产品成型、质量保障提供必要的参考依据，为设计人员提供基本的性能指标、仿真模型和试验参数，使设计人员可以快速准确地选择连接形式，选择有利的匹配材料，提高工作效率，为产品检测的试验设计及结果指标提供对比数据，丰富后续优化方向。复合材料结构连接的研究是现阶段复合材料应用的重点问题之一，其准确的预测方法和验证手段对工程应用具有深远的价值意义。

机械连接、胶接连接和混合连接是工业上最常使用的三种复合材料连接方式［1］。机械连接，即螺栓/铆钉连接，因其装配、拆卸和维修的便捷性以及对不同环境的抗疲劳性，成为工程中组装复合材料部件时最常使用的连接方法［2］。复合材料行业学者针对影响复合材料机械连接极限强度的因素，如连接形式、被连接件几何尺寸参数、被连接件材料参数、紧固件参数、载荷施加形式等均进行过研究。胶接形式的连接强度低于机械连接，但连接零件少、效率高且不存在集中应力，在复合材料非主要承载部件中也有较多的使用，长期以来在胶接领域的研究也在不断进行。如层合板单搭接胶接接头的失效形式、破坏状态和极限承载的变化等。

由于复合材料的脆性，机械连接需要大量螺栓或厚层合板来降低螺栓孔周围的应力，导致结构重量增加，胶接虽然没有以上缺点，但是耐久性差、对温度和湿度等环境因素敏感且缺乏合适的无损检测/检验（NDT/NDI）技术，使其难以在主要承载结构中单独应用［3］。机械和胶接的混合使用是一个比较好的替代方案。混合连接既能克服胶层抗剥离应力弱的特点，又能限制螺栓孔的劈裂破坏。同时混合连接也有局限性，胶接损伤难以有效预测，工艺控制困难，载荷主要由胶层承担，螺栓作用有限，因此易造成混合连接效率低。本文主要综述复合材料多种连接形式的研究现状，分析相应连接形式的优缺点，为复合材料连接方面的深入研究提供参考依据。

2复合材料机械连接研究现状

复合材料机械连接一般承受拉伸和剪切两种载荷方式，由于复合材料孔的拉伸强度较低，故在设计时通常避免复合材料机械连接承受面外拉伸载荷。复合材料机械连接破坏包含拉伸、剪切、挤压等多种形式，从既要保证连接的安全性又要提高连接效率的目标出发，破坏形式的选择决定最终结构能否发挥设计性能。影响复合材料机械连接强度的因素（铺层比例、铺层顺序、拧紧力矩、板宽-孔径比、端距-孔径比、孔径-板厚比等其他尺寸）远比金属材料多，设计中需重点考虑，这也大幅增加了复合材料连接性能的研究难度。

因复合材料螺栓连接容易拆卸且能够传递较大的载荷，所以被航空航天领域广泛应用。关于螺栓连接的连接强度、失效载荷与失效模式，国内外学者进行了大量的理论研究和试验验证，Cooper和Turvey［4］研究了拉伸载荷作用下，边距孔径比E/D、板宽孔径比W/D和螺栓预紧力对拉挤复合材料双搭接单螺栓连接接头损伤起始载荷和最终失效载荷的影响。随着E/D变大，销钉连接接头的失效模式由剪切（E/D<3）转变为挤压（E/D>3）；随着W/D增大，接头的破坏模式由拉伸（W/D<4）转变为挤压（W/D>4）。试验分析结果表明：几何临界值（W/D和E/D）随着螺栓预载荷的增加而增加，但是结构刚度对E/D的变化不敏感，仅随着W/D的增加而增加。Park［5］研究了预紧力和铺层顺序对碳/环氧复合材料层合板机械连接接头的分层挤压强度和极限挤压强度的影响。结果表明，螺栓预紧力可以抑制分层损伤的发生和层间裂纹的扩展，90°铺层可明显抑制连接件的分层。

前期关于复合材料的研究都是基于二维模型进行模拟，而实际情况是三维模型，这与实际工程中的应用不贴合，后来相关学者采用三维模型对其连接结构进行研究分析。Camanho［6］应用ABAQUS软件建立连接结构的三维模型，对螺栓连接中层合板的分层损伤形式进行较全面细致的分析，提出摩擦力与螺栓预紧力可有效抑制分层损伤扩展。Federico［7］利用ABAQUS有限元分析软件，采取壳单元建立连接结构的三维模型，对层合板内部进行失效模式预估（改进Hill失效准则），进而研究分层失效。Zhao等［8］人提出了一种用于单向复合材料渐进损伤分析的三维本构模型，该模型考虑了纵向应力引起的纤维断裂面，以及横向应力和纤维-基体剪应力产生的与铺层厚度方向成任意角度的纤维间断裂面。利用ABAQUS内嵌模型计算复合材料双搭接螺栓连接在拉伸载荷下的渐进损伤累积和破坏载荷，结果表明：数值仿真结果与螺栓连接接头静拉伸试验结果相吻合。Ahmad等［9］利用三维实体单元，通过拓展有限元法研究了编织体复合材料双搭接螺栓连接结构在拉伸作用下的损伤和断裂模型，并通过试验证实数值模型的可行性。

Liu等［10］基于传统的失效包络线，提出一种改进方法，用于预测复材多螺栓连接的失效形式和极限强度。将该方法应用于两/四螺栓碳-碳双搭接接头并与试验数据进行比对，结果表明，该方法能有效地预测复合材料双搭接多螺栓接头的失效形式，并可测出更精确的极限强度。Zhang等［11］提出了一种新的特征曲线，用于综合考虑拉伸/压缩/剪切特征强度。仿真及试验结果表明，采用新的特征曲线方法可以预测多螺栓搭接接头的准确失效形式及载荷。

Qin等［12］通过仿真分析和试验验证，提出凸头螺栓和沉头螺栓两种不同紧固件对复材机械连接性能的影响机理，详细阐述紧固件对双搭接接头刚度、强度及破坏模式的影响。沉头螺栓使双搭接接头的非线性起始强度降低约32 %，螺帽连接处损伤也比凸头螺栓大，但紧固件对极限强度的影响很小。此外，间隙对双搭接接头的应力分布有很大影响。碳纤维单螺栓单搭接平拉试验件和碳纤维单螺栓单搭接平拉有限元仿真模型分别如图1和图2所示。

3复合材料胶接连接研究现状

复合材料胶接连接因其外形流线光滑的特点而被广泛应用于航空航天工程，但胶接连接在使用时也有其自身的限制，如使用环境、连接件厚度等。胶接连接的破坏模式较为复杂，受胶层厚度、层合板厚度、层合板表面质量、环境湿度与温度、搭接长度、加载频率等因素影响。根据破坏发生的位置不同，胶接连接的破坏形式有以下几种：连接件断裂、连接件剥离、胶层间的剪切破坏、胶层间的剥离破坏，或者发生上述破坏形式的组合，由于胶层本身的特殊性使得其在连接部位极易发生破坏。

现在复合材料结构胶接连接所使用的大多数方法是基于L.J.Hart-Smith进行的一系列研究，在20世纪70年代初期NASA/Langley研究中心资助的合同以及70年代中期空军主胶接结构技术计划（PASBST）的支持下完成。这些工作的最新进展是在空军合同支持下开发出胶接连接和螺栓连接三个计算机软件A4EG、A4EI和A4EK。这些成果已经在文献上公开发表并应用于80年代中期NASA的ACEE计划。

20世纪90年代至21世纪初，美国与欧盟先后系统地开展高性能低成本复合材料连接技术研究，发现胶接连接具有避免应力集中、提高疲劳寿命、减少螺栓数量、降低飞机重量等显著优势。研究成果得到复合材料胶接设计过程中的主要原则：（1）一般的复合材料连接设计尽可能采用简单的一维应力分析方法；（2）连接设计要保证被胶接件破坏而不是胶层破坏；（3）航空航天胶粘剂的韧性有利于降低胶层中的应力峰值；（4）谨慎使用诸如被胶接件斜削之类的方法以减小或消除剥离应力；（5）缓慢的低周循环载荷是影响胶接连接耐久性的主要因素，可通过提供足够长的搭接长度，来保证胶粘剂受载较小。

复合材料胶接连接的研究已有多年历史，起始于Reissner、Volkersen、Goland提出的基本理论，由于其理论普适性强，长时间内被国内外科技工作者借鉴应用［13-14］。Volkersen针对单搭接形式提出一维杆单元模型理论，将胶接件简化为一维杆建模，只考虑杆轴向受拉伸产生的变形，胶层只考虑剪切产生的变形而不考虑剥离应力带来的影响。紧接着DE Bruyne将Volkersen的一维杆单元模型理论拓展延伸到双搭接模型中，发展成了新的Volkersen/DE Bruyne分析理论［15］。在一维杆单元模型基础上，Reissner和Goland进一步对其进行拓展衍生出一维梁单元模型理论，即将胶接件看做梁单元，同时考虑杆的轴向拉伸变形与杆的弯曲变形［16］。此理论考虑了胶层的剪切与剥离变形，模型更加符合实际工程应用。以上胶接分析理论只考虑了胶层的剪切与剥离，而关于连接件的剪切变形几乎没有考虑，故以上胶接理论只适用于连接件的高抗剪强度，而对于抗剪强度低的连接件则不适用。于是后来的学者对原有理论进行了改进形成TOM理论，该理论比一维梁理论模型更多地考虑连接件在实际工况中的剪切变形，且认为剪应力沿连接件厚度方向上呈线性分布［17］。张阿盈［18］在TOM理论的基础上进一步假设：靠近胶层侧厚度的一半方向呈线性分布且发生剪切变形，也就是说沿厚度方向并不是完全的呈线性分布，同时给出单搭接、双搭接时剪应力的经验计算公式。

彭海俊等［19］针对复合材料单搭接胶接形式，以厚胶层接头为基础，分析设计几何参数（胶层厚度、搭接长度/宽度、试件接头厚度/角度等）对胶接接头性能的影响，并借助ABAQUS有限元仿真计算和试验手段进行接头强度与失效形式预测。研究结果表明：（1）胶层厚度会影响接头的破坏形式；（2）接头搭接宽度与强度近似成正比；（3）接头搭接长度较短时为粘附破坏、较长为大面积胶粘剂内聚破坏和连接件内聚破坏，超过63.5 mm后开始出现分层破坏；（4）接头连接件厚度越薄，分层破坏的面积越大；（5）45°能在一定程度上提高接头的极限失效强度。罗书舟等［20］研究不同粘接剂对HTS40/977-2单搭接接头力学性能的影响，并进行低速冲击仿真。结果表明：低速冲击中，粘接剂的性能对接头的破坏形式及能量吸收有很大影响；粘接剂韧性越低，接头的损伤越严重，能量吸收也越多；粘接剂韧性越高，接头损伤越轻，能量吸收也越少。杨本宁等［21］以Tserpes失效准则及其材料性能退化准则为基础进行有限元仿真分析，探究各种参数对复合材料单搭胶接接头强度的影响，并得到不同参数下胶接的失效模式。结果表明，复合材料单搭胶接的强度高于钛合金与复合材料的单搭胶接强度，且失效形式不同；胶接长度、宽度均会增加接头的失效强度且长度比宽度的影响更加明显；复材-金属单搭接的失效形式主要为胶层粘附失效，复材-复材单搭接的失效形式主要为部分胶层粘附失效与连接件本体的混合失效。金属结构件表面涂胶过程如图3所示。复合材料板胶接分层仿真变形图如图4所示。

4复合材料混合连接研究现状

螺栓连接和胶接连接是目前复合材料最常用的连接方式，但是受各自缺陷的影响，螺栓连接的效率低，导致连接区域过厚，与之相比胶接连接耐久性较差，对环境因素敏感而无法广泛应用于航空航天的主承力构件中。复合材料连接特性如表1所示。

因此将两种连接形式结合，可使结构具有更高的静态和疲劳载荷，有助于结构达到最佳的承载能力。国内外对螺栓连接接头的力学性能、破坏模式、影响因素和强度预测等内容进行了深入研究，但是对于混合连接的研究却十分有限。20世纪80年代，L.J.Hart Smith［22］首先使用应力集中系数来预测机械连接的强度，作为保险性结构的修补使用以提高损伤容限。90年代中期，Kolks［23］和Steward［24］重新研究了Hart Smith的工作，进一步推广了混合连接形式的应用，近年来，国内外科研学者对复合材料混合连接做了大量的研究。尽管如此，工程中关于复合材料混合连接技术的知识仍处于研发的早期阶段，需要进行更深入的实践，以达到与胶接或螺栓连接技术相同的应用水平。

Kweon等［25］分析使用FM73薄膜粘合剂和EA9394S粘合剂的复合材料/铝双搭接接头的失效载荷和模式。结果表明，使用薄膜粘合剂的混合接头强度与胶接接头的强度几乎相同，使用粘性胶粘剂的混合接头强度比胶粘和螺栓接头的组合强度高84 %。Lopez-Cruz等［26］应用试验设计（DOE）方法定量评估了几个因素对混合连接接头强度的影响。研究因素包括层合板厚度、胶粘剂模量、胶层厚度、螺栓孔间隙和连接面积。研究结果表明混合连接接头强度高于螺栓或胶接连接，并通过试验获得了胶/螺混合连接接头的止裂性能。文章说明混合连接接头的强度主要由胶层厚度、胶粘剂性能和螺栓孔间隙决定。在纤维增强复合材料混合连接强度和敏感性参数分析中，钟鸣远［27］以玻璃纤维增强复合材料H型夹层为研究对象，探讨了连接形式和各种工况对连接处应力、损伤分布和失效形式的影响，并总结了腹板高度、厚度等几何参数以及粘接层厚度、孔端距、孔径等参数对混合连接接头的影响规律。Lee等［28］研究了复合材料/钢双搭接接头不同连接形式的性能，胶粘剂同样采用FM73，并分析复材板厚度、板宽孔径比（W/D）和边距孔径比（E/D）三种参数对连接接头的强度影响。结论为胶/螺混合连接接头的极限载荷与胶接接头的极限载荷几乎相同，但至少为单机械连接（螺栓）接头极限强度的两倍。Chowdhury等［29］比较了螺栓连接、胶接连接和胶/螺混合连接接头的静态强度和抗疲劳性能，以及紧固件排列、粘接强度和初始缺陷对接头的影响。疲劳试验表明，混合连接、螺栓连接和胶接的耐久性依次降低；静载试验表明，混合连接接头相比于胶接的峰值强度变化非常小，混合连接中紧固件降低了剥离应力，并防止胶粘层中的裂纹扩展。紧固件还可以作为防止胶粘剂失效的保护措施，尤其针对含有缺陷的胶粘层，可防止突发和灾难性失效。马毓等［30］比较分析了预制孔-涂胶-安装-固化和涂胶-固化-安装两种工艺制成的胶/螺混合连接接头之间的载荷传递机制和变形协调条件的差异。研究结果表明，胶/螺混合连接接头的载荷传递机理和承载能力与制造工艺密切相关。而后针对胶层与螺栓可以协调变形的胶-螺混合连接接头，通过理论分析与试验对比的方法进行了参数分析［31］，研究胶-螺混合接头承载力影响较大的因素：紧固件位置、刚度等参数，分析了承载力计算公式的适用范围。研究结果表明，接头的破坏形式和承载力受接头几何参数变化的影响，现有的承载力计算方法存在适用范围的限制。Bodjona等［32］采用三维有限元模型，分析了单螺栓单搭接胶/螺混合连接接头的全局灵敏度，量化了不同参数对连接处载荷分布的控制性。结果表明胶粘剂屈服强度为主要因素，其取决于施加在接头上的载荷量级。而且接头的E/D比、胶粘剂硬化斜率和胶粘剂厚度也是影响载荷分担的重要因素。为了提高胶/螺混合接头的载荷分担，Raju等［33］使用三维有限元模型，开发一种新的混合连接接头设计方法，该方法使用过盈配合螺栓代替传统的紧配合或间隙配合螺栓。结果表明过盈配合胶/螺混合连接接头的载荷分担比紧配合胶/螺混合接头高出约10 %。

上世纪八、九十年代，随着胶粘剂材料的不断发展，国内航天结构复合材料领域中混合连接应用增多，学者将胶接与机械连接相结合，利用有限元法进行混合连接的初步探究。2000年李煊等［34］采用有限元方法（有限元程序已经试验验证与试验值较接近）分析了连接区长度、螺钉个数及胶层刚度对混合连接接头静强度的影响，同期推导了十六节点胶单元、二节点钉单元和基于一阶剪切变形理论的八节点板单元，以此基础开发复合材料平板结构和壳体结构中混合连接件的有限元分析软件。

经过近些年的发展，混合连接的强度分析已成为主流的研究方向。2021年邹鹏等［35］总结了国内外胶螺混合连接在复合材料结构中的研究进展，指出胶螺混合接头能吸收大量断裂过程中的能量，但机理尚不明确且有限元方法中的渐进损伤刚度折减方法尚未明确。同期刘礼平等人采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式，仿真CFRP层合板刚度退化，采用基于能量的B-K准则仿真胶层损伤演化，研究碳纤维增强树脂基复合材料层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制。2021年王海波等［36］采用有限元方法对复合材料层合板之间胶铆连接进行研究，表明金属-层合板拉剪强度高出层合板-层合板连接约12 %，且胶铆连接不易发生疲劳破坏。同期檀甜甜等［37］对碳纤维复合材料结构件在不同铆接方式下的连接强度对比分析，寻找满足产品质量和适用装配的连接方法，为碳纤维复合材料在重型运载等新一代运载火箭中的应用提供指导。

通常影响复合材料混合连接结构的力学性能因素很复杂，胶层的厚度和层合板的几何参数均包括在内。其载荷传递机理不同于单一连接方式，理论上还缺乏系统的研究。与粘接接头和机械连接接头相比，有限元分析和测试的研究成果并不丰富［38］。根据国内外学者的现有研究表明，胶/螺混合连接形式在大部分结构连接中，能够提高其极限承载力，并且层合板的尺寸、铺层、材质、界面性能、工艺方法以及机械加工等因素都会对其载荷传递、内部应力分布、缺陷扩展和极限承载等性能造成不同程度的影响。金属-复材结构胶螺混合连接如图5所示。

5复合材料连接研究展望

复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛，国内外高性能纤维及复合材料的研究也在高速发展，复合材料表现出的优良性能也使其逐步从替代减重转变到优化节约。复合材料制造技术的特性更利于零件的一体化设计，降低产品零件和结构连接数量、减轻结构重量、缩短装配和检验流程、提高生产效率、节约制造成本，从而提高产品的结构强度和结构效率。在结构设计尤其是复合材料结构设计中，连接是最富有挑战性的任务之一，随着复合材料制品的结构复杂性提升，连接的数量和产品质量变得越来越重要，通常出现在复合材料主要部件与金属部件或零件的过渡区域，引起几何形状中断和材料的不连续，造成局部高应力区，对复材的整体性能发挥产生巨大的影响。

复材连接仿真算法的研究可以从前期结构设计阶段对复合材料连接位置进行规划，在满足结构刚度、强度及稳定性的前提下对连接部位进行局部优化，降低由于不连续性而对材料和结构性能发挥产生的折扣，提高产品设计效率。考虑连接形式及连接处的结构优化处理，对于后期复材成型工艺及机械加工过程也有一定帮助，局部的优化设计可以达到减少多余材料用量、工艺实施便捷、减小机械加工破坏程度等效果，研究试验过程的数据也能为材料及产品测试提供参考依据。今后的研究应对已有成熟的连接形式不断优化，在提高连接性能的同时降低工艺成本，研发出更加经济有效的新连接方式，不断推进复合材料的应用与发展。

参 考 文 献

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