《复合材料装配技术》课件-4.1机械连接破坏形式

复合材料装配技术机械连接破坏形式由于胶接强度分散性大，可靠性差、剥离强度低等原因，对于重要的高载荷部位，机械连接仍是最常用的方法纤维增强树脂基复合材料的主要连接方式除了胶接连接外，还有机械连接及混合连接A380上10000个螺钉，F-22上有14000个螺钉，据统计，飞行器结构破坏的70%都发生在连接部位CONTENTS目录复材机械连接类型及应用特点01复合材料机械连接破坏形式02复材机械连接类型及应用特点PART01一、复材机械连接类型及应用特点什么是机械连接？紧固件IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII一、复材机械连接类型及应用特点机械连接分类IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII结构特点可拆不可拆IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII连接紧固件螺钉螺栓铆钉销钉螺钉高锁螺栓铆钉机身结构上的机械连接一、复材机械连接类型及应用特点（一）复材机械连接基本类型按结构特点分可拆、不可拆按连接紧固件螺栓连接：承载大，可拆铆钉连接：强度低，承载小，不可拆，常用于板厚1~3mm铆钉直径一般小于4mm，否则铆钉成型困难，且容易造成复合材料损伤一、复材机械连接类型及应用特点（二）复材机械连接应用特点强度高可传递大载荷、安全可靠受环境影响小不用制备连接面螺接可重复装拆无胶接固化的残余应力优点一、复材机械连接类型及应用特点（二）复材机械连接应用特点

增重、不平、钻孔问题多（开孔应力集中、纤维中断、分层、边缘起毛）、要考虑电位腐蚀、安装损伤问题缺点一、复材机械连接类型及应用特点（二）复材机械连接应用特点

受力较大、连接构件稍厚、强调可靠性的场合应用复合材料机械连接破坏形式PART02二、复合材料机械连接破坏形式复合材料机械连接接头几何参数FFP第一排边距s板厚t板宽W端距e被连接板一般受拉伸载荷接头几何参数孔径D板宽W孔距（排距P）端距e板厚t边距S二、复合材料机械连接破坏形式双排及双列螺栓串联双排螺栓并联双列螺栓单螺栓二、复合材料机械连接破坏形式连接破坏：连接接头的任一组成部分，被连接件或连接介质（紧固件）发生破坏。IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII单一破坏形式连接介质：紧固件弯曲、剪断、拉伸破坏被连接件：挤压、拉伸、剪切、拉脱、劈裂破坏二、复合材料机械连接破坏形式基本破坏形式

（a）复材板拉伸破坏

（b）复材板剪切破坏

（c）复材板劈裂破坏

（d）复材板的挤压破坏

（e）紧固件的拉弯变形

（f）拉脱破坏二、复合材料机械连接破坏形式复材板的拉伸与剪切破坏的识别板的挤压破坏二、复合材料机械连接破坏形式1.被连接板拉伸破坏时的应力计算净截面拉伸破坏为灾难性破坏，应避免发生沿着载荷方向承载的纵向纤维比例不能太少拉伸应力σL=

F/AL

（σ读西格马）①紧固件间距>5D②加厚连接部位板厚AL=(w-nD)t措施二、复合材料机械连接破坏形式例下图所示为铆钉连接接头，若已知被连接板拉伸破坏时的载荷为4000N，铆钉直径d=4mm，孔径4.2mm，板厚t=2mm，W=40mm求复合材料连接板拉伸破坏时的应力。AB二、复合材料机械连接破坏形式基本公式：板拉伸应力σ=F/A,A=(W-D)t题型1：计算连接板的拉伸应力：σ=F/A下图所示为铆钉连接接头，若已知被连接板破坏时的载荷为4000N，铆钉直径d=4mm，板厚t=2mm，W=40mm，铆钉孔径按D=d+0.2问题1求复合材料连接板拉伸破坏时的应力mpaσ=F/A=4000/(2*(40-4.2))=55.86mpa问题2其他参数不变，如果板厚增加一倍，应力增加还是减少？σ=F/A=4000/(4*(40-4.2))=27.93MPa，板厚增加，应力减小二、复合材料机械连接破坏形式题型2：板的强度校核，判断σ=F/A<[σ]下图所示为铆钉连接接头，若复合材料连接板拉伸破坏应力为56mpa，已知板厚t为2mm，铆钉直径取4mm，板宽40mm，铆钉孔径按D=d+0.2，F=4000N问题1图A被连接板是否会发生拉伸破坏？55.86mpa<56mpa，不会发生破坏图AWW二、复合材料机械连接破坏形式题型2：板的强度校核，判断σ=F/A<[σ]下图所示为铆钉连接接头，若复合材料连接板拉伸破坏应力为56mpa，已知板厚t为2mm，铆钉直径取4mm，板宽40mm，铆钉孔径按D=d+0.2，F=4000N问题2其他参数不变，板厚增加一倍，被连接板抵抗拉伸破坏的能力是否增加？t为4，应力值降低为27.93mpa，板厚增加、抵抗拉伸破坏的能力增强二、复合材料机械连接破坏形式题型2：板的强度校核，判断σ=F/A<[σ]下图所示为铆钉连接接头，若复合材料连接板拉伸破坏应力为56mpa，已知板厚t为2mm，铆钉直径取4mm，板宽40mm，铆钉孔径按D=d+0.2，F=4000N问题3图B，其他参数值不变，横截面上增加铆钉数量到2颗，能否增强被连接板抵抗拉伸破坏的能力图BW钉孔增加，应力增加到63.29mpa，降低抗拉伸破坏的能力二、复合材料机械连接破坏形式题型3：计算许用载荷，F=[σ]×A下图所示为铆钉连接接头，若复合材料连接板拉伸破坏应力为55mpa，已知板厚t为2mm，铆钉直径取4mm，板宽40mm，铆钉孔径按D=d+0.2计算：为防止板拉伸破坏，工作时的最大载荷不应超过多少N？F=[σ]×A=55×2×（40-4.2）=3938N工作时的最大载荷不应超过3949N？二、复合材料机械连接破坏形式2.被连接板剪切破坏时的应力劈裂及剪切破坏为灾难性破坏应避免发生剪切面积Aj=2et剪切应力τj=F/Aj

剪切劈裂加大端距：端距e=3D~4D；0°层不宜过多，否则容易发生劈裂破坏，即使加大e也无济于事（40%以上±45°铺层；10%以上90°铺层；）措施二、复合材料机械连接破坏形式例下图所示为铆钉连接接头，若已知被连接板剪切破坏时的载荷为4000N，铆钉直径d=4mm，孔径D=4.2mm，板厚t=2mm，端距e=12mm，求复合材料连接板剪切破坏时的应力。二、复合材料机械连接破坏形式基本公式：板剪切应力τ=F/A，A=2et例：下图所示为铆钉连接接头，若已知被连接板剪切破坏时的载荷为4000N，铆钉直径d=4mm，板厚t=2mm，W=40mm，e=12mm问题1计算复合材料连接板剪切破坏时的应力τ=F/A=4000/2*12*2=83.33mpa问题2其他参数不变，如果e=6mm，剪切应力为多少τ=F/A=4000/2*6*2=166.67mpa二、复合材料机械连接破坏形式题型2：板的强度校核，判断τ工作=F/A<[τ许]下图所示为铆钉连接接头，若已知被连接板工作时的载荷为4000N，铆钉直径d=4mm，板厚t=2mm，如果复合材料连接板许用剪切破坏应力[τ许]=84mpa。W=40mm，W=40mm，e=12mm问题被连接板是否会发生剪切破坏？τ工作=F/A=4000/2*12*2=83.33mpa<84mpa被连接板不会发生剪切破坏。二、复合材料机械连接破坏形式3.被连接板挤压破坏时的应力几种破坏中，只有挤压破坏为局部破坏，承载能力最高，非灾难性破坏，设计时应设计成只发生这种破坏形式被连接板孔壁受紧固件的挤压：孔壁纤维和基体表面被压碎，受压侧的材料堆积分层、沿载荷方向孔发生变形FF铺层合理、W/D,e/D足够大时发生挤压破坏。挤压应力：σjy=

F/Ajy

圆柱面挤压时A

jy=

D

t受力面积等效转化过程二、复合材料机械连接破坏形式4.紧固件剪切破坏时的应力铆钉直径过小或铆钉材料剪切强度小都会造成铆钉剪切破坏剪切面积Aj=πr2τj=F/Aj

FF增加紧固件直径d/t>1采用抗剪强度高的紧固件措施二、复合材料机械连接破坏形式例下图所示为铆钉连接接头，若已知被连接板破坏时的载荷为4000N，铆钉直径d=4mm，板厚t=2mm，板宽24mm，端距12mm，求铆钉剪切破坏时的应力。单个铆钉有几个受剪面？二、复合材料机械连接破坏形式5.拉脱破坏层压板过薄面外拉伸沉头孔过深增加层压板厚度t>0.6D设计时避免连接部位承受面外拉伸载荷沉头孔深度<0.6t——措施——二、复合材料机械连接破坏形式拉伸破坏挤压破坏