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10.接头连接及分析
10.1简介
部件或结构中的接头处往往会产生质量磨损，这将导致零件的失效，从而出现制造问题。因此，设计师设计时尽可能的消除这个问题。但实际上，由于材料尺寸的限制、制造或运输的方便限制以及为了检查或修理结构的需要，很少可能生产没接头的产品。本章介绍了复合材料常用的各种紧固方法、接点失效的类型以及由于复合材料的非均质性和各向异性在结点设计中出现的各种问题。
基本上，复合材料常用的接头有两种:粘接接点和机械紧固接头。焊接可用于热塑性复合材料的连接，但这种技术在承载关节处的运用还不够成熟。在下面的段落中，我们将讨论前两种类型的接头。
10.2粘接接头
10.2.1简介
用合适的粘合剂将预固化的层压板粘接(上层面)在一起，在这种情况下，接缝和层压板可以同时固化(共固化或共粘合)。否则会在制造过程中会形成接缝，承载节点通常具有重叠结构;见图10.1。这种连接形式适用于连接平板层合板或管状构件。由于很多参数对接头强度很敏感，因此在任何设计开始时考虑关节的强度是至关重要的。如果不考虑这些，可能会导致组件虽然具有足够的性能但无法连接。粘结节点的结构的发展历程中，一些简单的粘接形式由于其适应性强将优先使用制造和测试。
单边接头
双边接头
斜嵌接头
斜边接头
阶梯接头
搭板接头
双面搭板接头
以上是一些常见的工程接头
接头的大小可根据所要连接的零件大小、所允许空间的大小，以及负载量的大小来估计。有了这些参数，可以进行接头的初步设计，并使用迭代分析过程进行具体化。
10.2.2应力分布。
有接点的结构决定了该结构的不连续性，由此产生的高应力常常造成破坏。因此，如果我们想要了解在实践中发生的失效，从而改进设计和预测强度，确定重要参数及相关简单理论，对了解接点的应力是至关重要的。有关粘接接头应力分析的文献很多，对不同的接头结构、不同的粘结剂和粘接剂性能进行了2-11的分析。所得结果为封闭形结构数据。将重要结果定性描述，并对影响接头设计的结论进行讨论。
连接的主要目的是在连接的两者之间传递负载。在大多数粘接接点中，载荷传递是通过粘接面剪切进行的，这导致粘接层中存在较高的层间应力。双搭接接点层间剪切应力的理想(弹性)变化如图10.2所示。从图中可以看出，层间剪切应力在接点端附近有较大的集中。在接点的其余部分应力较低且分布均匀。由于荷载传递区发生在端部，最终延伸一定的长度，因此一旦荷载传递区充分延伸，节点强度将不会再增加。故在超过临界值时再增加粘接量是没有意义的。通常，对于碳纤维/环氧粘接体系，极限粘接量为30ta，其中ta为附着端厚度。由于在接点端部的粘接层中产生了高应力，因此在相邻的粘接层中也会产生高应力。故失效可能在这些层中开始。Hart-Smith提出，减小粘接层附近层间局部高应力的有效方法是增加搭接边缘的粘接厚度。然而需要注意的是，良好的粘接只能在小范围的厚度(通常0.1 - 0.25毫米)以内，因为厚的接点往往是多孔的且易碎的，而超薄接点硬度高且脆性大。
与双搭接接头相比，粘结剂的剪切特性对单搭接接头的强度影响不大，其强度主要由粘结性能、剥离应力和粘接长度决定。粘结剂中的塑性区长度为等效双搭接接头的一半，弹性区在总载荷中所占比例较大。剥离应力比双搭接接头大一个数量级，故通过增加搭接长度，剥离应力的影响可以最小化。在可接受范围内，粘接量应至少为80ta。
图10.3为八层板间单搭接节点的典型有限元网格。每层的厚度为一个单元，粘接剂的厚度为两个单元。通过增加重叠的末端网格密度，对这些接头的连续性和有限元的分析可以得到相同的结果。
10-3
相同的粘接剂之间的搭接接头(图10.1)具有均匀的粘接剪应力分布，因此会比其他类型的接头表现出更高的强度。不相同的粘接端，这种应力分布是不均匀的。故粘接端通常会在较硬的端部失效。这种情况可能发生在阶梯接头。为了限制蠕变变形，在长接头中斜嵌角必须要小(1-3°)。不同的粘接端(如复合材料和金属)之间的阶梯接头和搭接接头的应力分析必须考虑不同的粘接端刚度和热膨胀系数的影响。
10.2.3失效形式及强度
机械微观损伤最先产生，并最终导致宏观机械损伤。因此，机械微观损伤可以作为选择极限荷载预测技术和预测节点破坏模式的依据。微机械损伤可能发生在粘接层、粘接接触面或粘接端。在最后两种情况下，无论是在树脂粘接剂中还是在纤维/树脂粘接剂接触面上，粘接端破坏可以是拉伸的、层间的或横向的。
粘接层内或粘接端基体表面层内的粘接破坏可能由脆性断裂或橡胶状撕裂引起，这取决于所使用的粘接类型。这将导致垂直于荷载的裂缝，并降低节点的荷载传递能力。这种情况类似于90°层合板的裂纹。当加工(表面处理)或材料质量较差时，在低载荷下，粘接剂/接触体接触面失效，这种情况不应发生在已粘接好的接缝处。层压板的层间失效(与边缘效应无关)可能是由于加工不良、空洞、分层或热应力引起的。
在与粘接剂强度相同的载荷作用下，接触区域大的接头强度最高。最薄弱的接头是那些粘接端或剥离层间失效的接头。其次是粘接剂剪切强度不够而致使失效的接头，这种失效方式可能与前面描述的应力分布有关。有关不同类型的接头失效、接头过程分析和接头设计容许量的进一步详细资料，请参阅哈特史密斯
10.2.4嵌接接头的有限元分析
在本节中，我们考虑的接头具有相同的粘接剂，并使用相对脆弱的粘合剂，并具有小的嵌接角，如图10.4所示。
10-4
采用等参八节点实体单元，采用FE77有限元分析对嵌接接头应力进行了计算。由于尖头附近应力集中程度较高，需要在该区域设置细网格;图10.5。最小单元尺寸为0.0125mm。16(plusmn;45/0/90°)2s碳纤维/环氧层合板作为均质弹性材料，其刚度/强度特性为:Exx = Eyy = 53.8GPa, Ezz = 11.3GPa, Gxy = 20.5GPa, Gxz = Gyz = 4.85GPa, uxy = 0.31, uxz =u yz = 0.19，抗压强度sun = 454MPa。厚度tA = 0.129mm的环氧胶黏层具有如下性能:E = 3.40GPa, G = 1.26GPa,u=0.35, ts = 40MPa。
10-5
10.2.4.1应力结果
研究发现，主应力分量主要为母层中沿x轴(载荷轴)方向的平面内应力sx，以及与斜面切向的剪切应力。其它应力分量相对较小，在任何失效荷载计算中都可以忽略。轴向应力分布在嵌面尖端附近呈陡峭的梯度，表明应力奇异性的存在，并在8层(1mm)内接近施加的拉应力Sg;图10.6。由于刚度不连续导致的应力奇异性存在于嵌面尖端，计算得到的应力在嵌接尖端附近，而不是在嵌接尖端。在离覆板端面0.01mm处的弹性应力集中系数约为2.3。随着与叶尖距离的增加，平面内的直接应力迅速减小。
10-6
10-7
10.2.4.2嵌接面强度和最佳嵌接角度
对于简单的嵌接角情况，通过简单的应力分析，可以预测最大强度、嵌接的最佳角度是粘接剪切强度Ts和层压强度sigma;um的函数，这两个参数关系如下：
【10.1】
对于较小的theta;，嵌接点的的破坏应力Sgf由最大应力破坏准则确定，计算公式如下：
【10.2】
其中KA和KL分别为粘接剂和附着体中的应力集中因子(SCFs)。从有限元分析中，KA 近似等于2.88和KL 近似等于2.3为theta;小于等于10°。图10.8所示为粘接剂和附着体的承载能力随嵌接角的变化情况。当胶束失效载荷与层合板失效载荷相等时，最佳嵌接角出现。对于所考察的复合材料系列参数如下(ts = 40MPa, sigma;um = 454MPa)，式[10.2]的破坏应力近似等于 200MPa，最佳嵌接角度theta;qopt为4°。
由于材料非线性和树脂塑性等因素导致的应力重分布可能在最终破坏前发生在嵌接区域，因此使用弹性SCFs可以大大降低破坏荷载。另一种方法是对嵌接顶端一段距离内的应力进行平均，这表明尖端应力的精确值并不太重要，见第8.4.4节。这种方法考虑了材料的非线性和胶黏剂的塑性，减少了嵌接区域的局部峰值应力，并考虑了弹性有限元分析中没有考虑的应力重分布机制。
10.3机械固定接头
10.3.1简介
在需要拆卸部件进行检查或维护的结构中，需要使用螺栓连接。由单向预浸料制成的复合材料层合板的螺栓连接已进行了广泛的研究，他们研究了各种变量，如搭接、紧固件类型(螺钉、铆钉、螺栓)、摩擦效应、间隙及其对破坏模式的影响。对这种连接中应力的完整理论描述必须包括其三维性质，这一事实限制了对这种连接的分析处理。目前，对失效载荷的预测大多是半经验的。改进将取决于开发更普遍适用的失效准则，以及易于使用的三维应力分析。在以后的分析中，有限元显然很重要，下面将讨论最近的一些工作。
10.3.2 失效形式
除了紧固件失效外，在剪切和/或弯曲过程中，基本上有四种失效模式，即拉伸、剪切、承载和劈裂，如图10.9所示。纤维类型、纤维取向、表面处理和基体性能等因素是影响纤维失效的重要因素。因此，如果要达到有利的紧固接头和避免不必要的破坏模式，就需要取得广泛的变量。复合材料具有较低的承载强度和较低的面内剪切强度。通过增加螺栓间距，通过多排螺栓传递荷载，使螺栓的净剪切面积足够大，可以提高减截面材料的抗拉强度。
10-9
复合材料由于平面内抗剪强度较低，导致了不少问题。如单向复合材料纵向抗剪强度较低，容易导致了接头的剪切破坏。对于这种破坏方式，可以使用plusmn;45°纤维定向来进行改进，但这可能导致降低净张力能力。若使用各向同性纤维，将提高剪切强度和拉伸强度，但同时大大降低了接头的效率。
除了上述与常规强度准则有关的问题外，复合材料还存在一些特殊的问题。如层合板上的孔洞引起应力集中，应力集中随纤维方向相对于载荷方向的变化而变化。应力集中系数有时可能远远高于发生在类似金属结构中的应力集中系数。复合材料不会发生塑性变形，因此应力不易在应力集中处重新分布，正如第7章所讨论的，孔也会产生边缘效应，这将导致局部层间失效，在腐蚀性环境中，这些失效可能成为关键。关于当前复合材料设计实践的详细讨论可以在其他作品中找到。
10.3.3承载强度预测
层压板中存在三个明显的面内应力：负载侧面上的压应力，横截面上的拉伸应力和剪切面上的剪切应力; 图10.10。如果满足某些几何要求，则会出现接头失效。
10.10
Smith等人将加载孔的最大拉应力集中系数(SCF) Kb与在宽度方向上正交各向异性层合板在拉应力作用下卸载孔的最大应力集中系数联系起来得到如下表达式：
【10.3】
Kb为名义承载应力等效后的最大拉应力，Y为有限宽度修正因子，d为孔径，w为板宽。Kbull;T与层合板弹性常数(E, u,G)有关，由Lekhnitskii.31给出。对于Andreasson等研究的编织碳纤维(T300 2times;2 twill)/环氧(135℃固化增韧环氧树脂，LTM49)(0/90°)8s正交层合板和(0/90/plusmn;45°)4s各向同性层合板，Kb分别等于2.063和1.188。这些值可以与最大应力准则一起用于预测承载强度(在净拉破坏模式下);即
【10.4】
其中theta;ult为层压板的极限抗拉强度，式[10.4]预测(0/90°)叠层破坏发生在315MPa时，(0/90/plusmn;45°)叠层破坏发生在363MPa时;表10.1。这两个值都远低于测量的强度sigma;b。
这表明一些负载载荷正在重新分布，一个简单的应力集中因子大大低估了缺口强度。考虑荷载重分布的一种简单方法是采用点应力或平均应力破坏准则，或将弹性SCF降低一个常数(C近似等于1.8; 根据Smith的建议，由最佳拟合到实验数据确定)。
需要注意的是，Smith等人检验的无纺布层压板(XAS/914碳纤维/环氧体系)参数C取2.1，与叠层顺序和厚度无关。
为了预测轴承强度，在承载失效模式下，可以采用Collings18开发的半经验技术。该方法低估了准各向同性层合板的承载强度40%以上，但考虑到实验中观察到的损伤发生和延伸的复杂性，该方法的计算结果总体上是可以接受的。用Collings的表达式来估计损伤的开始而不是最终的断裂是更合适的。平均应力或点应力准则可以用来解释孔周围发生的局部损伤，但需要知道应力分布。这可以通过执行二维有限元应力分析来实现。
10.3.4 二维有限元分析
复合材料层合板中受载孔区域的应力场是相当复杂的，即使该问题是二维的(忽略载荷传递摩擦和过厚夹紧效应)。应力分布受层合板的弹性常数、接头宽度和端距、销的弹性、销与孔之间的摩擦和间隙等因素的影响。Andreasson 等32人使用商业有限元分析包I-DEAS来建立一个销钉连接模型(即作为一个二维接触问题，考虑了螺栓/孔的摩擦和螺栓与板之间适当的接触区域。研究了正交各向异性(0/90°)8s和准各向同性(0/90/plusmn;45°)4s层合板。对于线性静力问题，I-DEAS利用层合板理论确定层合板和层合板的应力。典型的有限元网格如图10.11(A)所示。优化后的网格由760个二次薄壳单元(Mindlin壳单元)和55个接触单元组成，共2393个节点。在靠近孔的区域，由于预期应力变化较大，网格要细得多;图10.11 (b)。当运行在拥有64Mb内存的Sun Superstation 5上时，该模
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