复合材料胶接设计

1、复合材料胶接设计2011/5/26邵龙飞魏羽良刘旭目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 1胶接连接设计3 HYPERLINK l bookmark2 1.1胶接件基本破坏模式3 HYPERLINK l bookmark4 1.2胶接连接设计准则3 HYPERLINK l bookmark6 胶粘剂的选择41.3.1胶黏剂选择要求41.3.2脆性和韧性胶粘剂比较41.3.3常用胶粘剂的比较：51.3.4被胶接件的表面制备6 HYPERLINK l bookmark8 胶接连接形式6 HYPERLINK l bookmark10 1.5胶接接头几何参数选择7

2、HYPERLINK l bookmark12 1.6胶接面纤维取向8 HYPERLINK l bookmark14 1.7温度和湿度的影响8 HYPERLINK l bookmark16 1.8胶接连接设计应考虑的其它因素9 HYPERLINK l bookmark18 1.8.1制造方法9 HYPERLINK l bookmark20 1.8.2可维修性9 HYPERLINK l bookmark22 1.8.3成本和质量9 HYPERLINK l bookmark24 试验10 HYPERLINK l bookmark26 2胶接结构的细节设计10 HYPERLINK l bookmark

3、28 2.1基本要求10 HYPERLINK l bookmark30 2.2应力水平10 HYPERLINK l bookmark32 2.3胶结连接形式选择10 HYPERLINK l bookmark40 降低胶结连接应力集中和剥离应力的措施11 HYPERLINK l bookmark42 2.5蒙皮（腹板）的加强方法11 HYPERLINK l bookmark44 2.6注意胶接结构中的热应力12 HYPERLINK l bookmark46 2.7避免产生电偶腐蚀12 HYPERLINK l bookmark48 2.8防止水汽进入胶层12 HYPERLINK l bookmar

4、k50 2.9工装设计与加工12 HYPERLINK l bookmark52 2.10质量控制12 HYPERLINK l bookmark54 3胶接缺陷及其检验12 HYPERLINK l bookmark56 3.1缺陷类型12 HYPERLINK l bookmark58 3.2检测原理13 HYPERLINK l bookmark60 3.3缺陷的检测方法：13 HYPERLINK l bookmark62 缺陷波形分析13 HYPERLINK l bookmark64 4胶接结构的耐久性设计131胶接连接设计1.1胶接件基本破坏模式接头端部的内力和剪应力最大，故破坏最容易在这里发

5、生。实验表明，胶结连接在拉伸载荷作用下，三种基本破坏模式：被胶接件拉伸（或拉弯）破坏；胶层剪切破坏；剥离破坏（包括胶层剥离破坏和被胶接件剥离破坏）。单面搭接接头的基本破坏模式1-拉伸；2-剥离；3-胶层剪切（h）（d）图兀&胶接连接基本破坏形式拡胶接什拉伸:或懂莓、破歩；（br喊层剪切被怖$2、被耽接件剥离砸以；【甘股层剥离（劈殺）皈晞1.2胶接连接设计准则在任何载荷作用下，对于各种形式的破坏，都不应使胶接面成为最薄弱的环节，且使胶接接头强度要高于胶接构件的强度，至少为同量级。设计原则（从强度和成本考虑）选择合理连接形式，使胶层在最大强度方向受剪力；使胶层在受力方向有足够的强度；尽可能避免胶层

6、受到法向力，以防止发生剥离破坏；在高温工作时，所选胶粘剂的热胀系数尽量与被胶接件相近；承受动载荷时，应选低模量韧性胶粘剂；工艺尽可能简单，降低制造成本；尽量减少应力集中防止接头端部层合板发生层间拉伸破坏1.3胶粘剂的选择1.3.1胶黏剂选择要求要有较好的综合力学性能；与被胶接件的相容性好，即有较好的粘接强度，不致在胶接件界面发生破坏；工艺性好，使用方便；在尽量低的温度下固化；与被胶接件的热胀系数要相近；环境影响尽可能小；胶接的耐久性应高于结构所预期的寿命。1.3.2脆性和韧性胶粘剂比较脆性和韧性胶粘剂剪应力-应变特性比较：脆性胶黏剂宜在高温下使用，在拐点附近即断裂，疲劳寿命短。韧性胶粘剂宜在中

7、温下使用，断裂应变较大，因而使胶层的应力集中较小,可承受较高的疲劳极限应力，寿命较长。1.3.3常用胶粘剂的比较：种类优点缺点环氧树脂工艺性能好；固化收缩性小；化学稳定性好；强度咼硬度一般；热强度低；耐磨性差环氧酚醛耐热性好；强度高；超低温性能好需热固化；多孔性；电性能不良酚醛树脂热强度高；耐酸性好；价格低；电气性能好需咼温咼压固化；造价贵；有腐蚀性；收缩率较大有机耐热、耐寒、耐辐射，绝缘性好强度低硅树脂酚醛亚胺耐热、耐水、耐火、耐腐蚀需咼温固化、造价咼；有腐蚀性、多孔性聚酯树脂机械和电气性好、价格低、耐沸水、耐热、耐酸、耐环境仅用于次要构件1.3.4被胶接件的表面制备利用胶粘剂进行胶接，是被

8、胶接件与胶层之间复杂的作用过程，被胶接件的表面制备质量对胶接质量（静强度和耐久性）有重大的影响。对碳/环氧复合材料件间的胶接，采用有机溶剂清洗和表面机械打磨。对复合材料和金属件间的胶接，除了表面制备外，还需对金属表面进行表面处理。德国AD公司在Airbus系列飞机生产中采用的表面处理方法：丄不锈钢：不处理丄钛合金：阳极化或不处理丄铝合金：铬酸阳极化1.4胶接连接形式P何P/2P/2PPP2)P(/)）单搭接；3）双搭接；（0单面斜接；（d）双面斜接;）单面阶梯型搭接；（门双面阶梯型搭接1.5胶接接头几何参数选择接头的主要作用是将载荷从一个胶接件传递到另一个胶接件上，她的破坏模式是多样的，究竟以

9、何种模式破坏，与接头的几何参数有关。以单面搭接接头为例，它的集合参数是：被胶接件厚度t、胶层厚度h和搭接长度1。如图所示。被胶接件厚度t通常由所需传递的载荷P来确定。胶层厚度h对连接强度有影响。增加厚度，可以减小应力集中，提高强度，但过厚容易产生气泡等缺陷，反使强度下降；过薄则要求被胶接件间贴合度高，因此不宜过薄，一般取0.10mm0.25mm。搭接长度1与胶接件厚度t之比1/t是胶接设计中最重要的几何参数。增加搭接长度，可提高承载能力，但搭接长度达到一定值后，承载能力无明显提高。从静强度分析，增加连接长度1无必要，但从使用寿命、结构耐久性考虑，在可能范围内，希望连接长度1尽可能大一些。这是因

10、为，搭接长度短而载荷过大时，搭接长度中间部分最小剪应力几乎和两端值相同，整个胶层进入塑性状态，卸载后，不可能恢复到原来状态，接头很快破坏。一般较为合理的设计是1/t=50100。1.6胶接面纤维取向复合材料层压板待胶接表面纤维最好与载荷方向一致或成45角，不得与载荷方向垂直，以免被胶接件过早产生层间剥离破坏。下图是一些例子。匚!不正确止jp_J.竺如士*07輕击右需腔接鹿评堆取向1.7温度和湿度的影响温度和湿度对复合材料构件性能有影响，设计中必须考虑。吸收的湿气靠毛细管作用传到胶层树脂中，逐渐引起树脂的组织软化，使它们膨胀，并降低了它们的玻璃化转变温度。如果胶黏剂在其工作温度范围内使用，温度影

11、响不重要。但如果温度和湿度共同作用，高温将增加湿气的吸收和扩散能力，影响极为严重。长期的环境影响将明显降低胶接强度。避免温度和湿度有害影响的办法：用密封胶将胶层密封，这是工程上行之有效的防湿措施。精确给定胶接连接件所承受的最恶劣的环境条件。精确给定使用温度范围。在综合考虑以上两点的基础上，选择最合适的胶粘剂。1.8胶接连接设计应考虑的其它因素1.8.1制造方法设计人员应该了解胶接连接的成型和加工过程。设计时尽量减少成型模具和工装，减少制造成本，保证胶接质量。胶接时尽量采用共固化方法。模具的选材和设计，应考虑到与固化温度和固化升温速率的匹配关系。1.8.2可维修性结构连接设计时，要考虑胶接结构的

12、可维修性。因为维修的次数和方法直接影响维修的费用大小。维修胶接区时，往往会使原来胶接完整的区域受到损伤，因此对不影响胶接强度和能够满足寿命要求的脱胶，尽量不返修，或者采用适当的方法，不损伤脱胶区附近的胶接区。最简单的维修方法是在脱胶区使用紧固件连接，或者增加盖板后再螺栓连接或铆接。1.8.3成本和质量成功的胶接设计可能减少维修和加工成本约20%，减少质量约15%。成本估算应考虑到维修所需费用。质量估算时应考虑到维修所增加的质量。1.8.4试验胶接设计应考虑三个方面的试验：/基本性能试验包括复合材料层合板的基本性能试验与胶层剥离试验、剪切试验。/设计接头的验证试验验证接头强度是否达到设计要求。/

13、接头的疲劳寿命试验对疲劳寿命有要求的接头应做这一试验。2胶接结构的细节设计基本要求设计复合材料胶接结构应使胶层在剪切状态下工作，尽量避免胶层受拉力和剥离力。胶接强度必须高于被胶接件本身的强度。否则，胶接联接将成为薄弱环节，使胶接结构过早破坏。应力水平在极限载荷下，对不同的胶黏剂，胶层中最大平均剪应力控制在一定要求量之间。2.3胶结连接形式选择优秀的设计应根据最大载荷的作用方向，使所设计的连接以剪切的方式传递最大载荷，而其他方向载荷很小，就不致引起较大的剥离应力。单搭接连接由干16心加戟引起IJ的薇胶接件年曲被胶接件厚度被胶接件比较薄（小于1.8mm），可采用单搭接；中等厚度板（L/1=5010

14、0），采用双搭接比较适宜；被胶接件很厚时，宜选用斜面搭接，或者阶梯型搭接2.4降低胶结连接应力集中和剥离应力的措施交接连接设计应尽量减少由于偏心和不对称在结构中产生的剥离应力，如采用对称双搭接形式，在双搭接中增加外搭接板的弯曲刚度，在单搭接中边缘斜削或制倒角等。2.5蒙皮（腹板）的加强方法当蒙皮（腹板）需加强时，推荐采用“T”形件，不用角形件。2.6注意胶接结构中的热应力注意由于热膨胀不同在结构中产生的热应力（如固化时因膨胀系数不同产生的残余应力），特别是在高的工作温度下，因为热应力与使用温度和固化温度差成正比。合理的选择层压板的铺成形式，可使热应力减少。2.7避免产生电偶腐蚀复合材料与金属胶

15、接，由于它们之间的电极电位不同，应注意防止电偶腐蚀。金属件表面应经适当的表面处理，尽量避免碳纤维复合材料与铝合金直接胶接，它们之间应设置隔离层。2.8防止水汽进入胶层由于胶层吸湿，即使吸收少量水汽也会危害胶结结构，采用适当的密封是防止水汽进入的有效措施。2.9工装设计与加工胶接使用的工装应是精心设计和加工的，以使热变形和残余应力最小，并能均匀地对被胶接件加压。2.10质量控制胶接质量应严格对不同部位所规定的缺陷允许值进行控制。3胶接缺陷及其检验3.1缺陷类型脱胶裂缝空隙胶层厚度变异固化不完全等3.2检测原理FCC-A-1型复合材料检测仪是一种射频超声检测仪。与普通视频超声检测仪不同，对换能器接

16、收到的回波信号，能不失真地进行放大处理，保持了回波信号的相位、幅度、频度等信息。人们可以根据这些信息量对缺陷的类型进行定性、定量的无损检测。3.3缺陷的检测方法：射线（X、中子）Y射线热象超声声发射红外液体渗透感应电流3.4缺陷波形分析4胶接结构的耐久性设计复合材料胶接结构耐久性系指在循环载荷和环境条件下结构的疲劳特性。现在还没有可靠的复合材料胶接结构寿命的估算方法，一般应通过试件或子结构在飞机环境条件下的等幅或寿命循环试验来评定。交接结构的耐久性取决于胶黏剂性能、被胶结件的表面制备、载荷及环境条件、被胶接件的结构特征和细节设计等因素。国外根据胶接与螺接的对比试验研究的结果提出，在耐久性条件下，控制胶接设计的是耐久性而不是静强度。与金属胶接结构相似，复合材料胶接