分層對復合材料機械連接結構承載能力的影響

戚航

摘要：復合材料是利用各種材料制備技術將多種材料組合在一起，以實現材料性能的大幅度提升。復合材料在現代社會中的應用十分廣泛，在各種工業領域或制造領域中，復合材料的優秀性能可以為產品設計提供更多的可能性。機械連接是一種常用的復合材料連接方式，機械連接結構的承載能力將直接決定復合材料的性能。但是，分層對于承載能力的破壞能力是巨大的。所以，本研究以分層現象為主要示例，探討各類因素對復合材料機械連接結構承載能力的影響。

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.

關鍵詞：分層;復合材料;機械連接結構;承載能力

0? 引言

復合材料具有良好的可設計性，可以根據需要，設計出滿足要求的彈性屬性和剛度屬性，在飛機制造領域應用極為廣泛，是飛機先進性的關鍵指標。機械連接是一種常用的復合材料連接方式，受共固化等工藝水平的限制，飛機結構中的一些關鍵部位需要采用機械連接方式，分層是復合材料出現質量問題的最主要原因，它會嚴重降低復合材料的受力能力，從而降低機械連接結構的承載能力。在飛機結構損壞中，連接部位損壞占比可達70%，因此，科學掌握分層現象對于復合材料機械連接結構承載能力的影響，對進一步強化飛機結構、改善飛行器性能具有重大的意義。

1? 復合材料機械連接的特點

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

機械連接的優點主要分為以下幾個方面：①方便進行設備檢修，提高連接的穩定性;②方便進行重復拆卸，降低制造和維修成本;③需要連接的零件表面無需進行過多處理;④不需要膠類物質固定，無殘余受力;⑤環境造成的惡劣影響較小。

機械連接也有與優點并存的缺點，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為了適應螺栓帶來的不均勻受力，層壓板可能要進行加厚處理，增加材料的實際重量，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孔洞的破壞而導致對材料的損壞;④緊固件易與材料發生電偶腐蝕，損壞緊固件和材料。

2? 復合材料的分層

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

2.2 分層的主要類型? 復合材料的分層類型主要有兩種，分別是內部分層和外部分層。內部分層的主要故障部位是層壓板的內部，由于內部鋪板中含有大量的樹脂，樹脂會與內部鋪板發生作用，從而導致了分層現象的出現，這種內部分層的現象會導致復合材料的內部結構受損。內部結構的損傷不會在正常狀況下表現出來，但如果復合材料投入了使用，在使用中受力較大時，內部的損傷會降低材料的受力能力，從而導致材料的損毀[3]。所以，要在復合材料的制作過程中嚴格控制樹脂的含量，防止內部分層現象的出現。在剛剛出現分層的時候，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量，降低連接結構的承載能力。外部分層的位置是在接近表面的內部，外部分層的解決難度要遠高于內部分層，由于外部分層的出現原因較為復雜，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力作用，所以解決外部分層問題基本都需要進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? 復合材料重要的特點之一便是堅固，由于復合材料較為堅固，所以制作技術較為精良的復合材料甚至能夠應用于先進的軍事武器制造[4]。在實際的制作過程中，制作商通過對材料的質量檢驗，發現復合材料的質量不合格現象基本都是由分層導致的。分層現象導致復合材料的內部物理結構受到了很大程度的破壞，使復合材料的綜合性能（例如延展性、承載力等）遠遠低于制造標準。如果使用這種劣質的復合材料進行制造，將會極大降低產品的質量，從而導致產品在出廠檢驗的過程中被淘汰。而且，一旦完成了復合材料的融合步驟，就很難再解決其內部的結構問題，所以，分層現象一旦出現，危害將是巨大的。

3? 影響復合材料機械連接承載能力的主要因素

影響復合材料機械連接承載能力的因素比較多，這些復雜的因素會從各種方面影響連接處的承載能力。總體上說，影響因素如表1所示。

根據表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合材料的結構承載能力產生較大的影響，其中，±45°層的占比對于層壓板的承載能力影響最大。當±45°層的占比過低時，層壓板就會非常容易出現剪切或劈裂的現象，造成材料的損毀。所以，±45°層的含量越大時，機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，機械連接的承載能力也會相應下降[5]。

3.2 鋪層順序? 鋪層順序是指層壓板的鋪設順序。當鋪層順序發生改變之后，復合材料機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系。對比而言，單就擠壓力大小來說，完全擰緊的螺絲機械連接可能是銷釘連接的四倍左右。即使用手擰緊螺絲，其擠壓力也比銷釘高一倍。根據以往的實驗可以看出，當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，當力矩過大的時候，甚至會直接損壞層壓板。所以，在合適的范圍內提升擰緊力矩能夠有效提升機械連接的承載能力。

3.4 連接形式? 連接形式能夠對機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力更不均勻，所以其承載能力可能會低于雙剪模式。而且，當層壓板厚度發生變化的時候，機械連接的承載能力也會發生變化，影響的幅度大概在20%左右。

3.5 幾何參數? 幾何參數的具體種類較多，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度，當比值越高的時候，抗拉伸能力便越強。端距和孔距的比值主要影響的是連接處的抗剪切強度，當比值增加的時候，抗剪切強度便越大。但這種線性相關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。載荷方向對機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，兩個方向夾角大小的變化將會對復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。以往的試驗結果表明，當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 濕熱環境? 溫度、濕度等自然環境因素也會對機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%的條件下的擠壓強度和承載能力會顯著低于常溫干爽狀態。所以，控制環境中的溫度和濕度對于提升復合材料機械連接處的承載能力也有較大的作用。

4? 結語

綜上所述，分層現象會嚴重降低復合材料的質量。無論是內部分層還是外部分層，都會對復合材料造成難以修復的巨大損害。分層對于復合材料的影響是多層次的。分層會破壞復合材料的鋪層比例，會打亂復合材料的鋪層順序。即使復合材料采用再合理的擰緊力矩和連接形式進行機械連接，只要材料本身存在分層現象，材料本身的性能就難以達到使用標準。所以，科學掌握分層的出現原因，明確復合材料機械連接處承載能力的影響因素，對于提升復合材料整體質量，推動我國生產業發展有著重要的作用。

參考文獻：

[1]王明明，張宏建，徐穎，等.含初始分層復合材料層合板壓縮剩余強度計算[J].航空發動機，2019，45（003）：44-50.

[2]方際澄，于哲峰.含分層損傷復合材料層壓板低速沖擊模型剛度計算方法[J].復合材料學報，2018，35（10）：2768-2776.

[3]梁言，楊云霞，龍連春.含分層缺陷復合材料層合板熱力耦合下的屈曲分析[C].北京力學會第二十三屆學術年會會議論文集.2017.

[4]李圣賢，朱永凱，王海濤，等.復合材料分層缺陷的激光超聲檢測[J].期刊論文，2019，41（5）.

[5]沙風煥，張銥鈖.內部分層對復合材料層合板承載能力的影響[J].太原理工大學學報，1999，030（004）：371-374.