復(fù)合材料連接的案例
復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)培訓(xùn)
先進(jìn)復(fù)合材料因其比強(qiáng)度和比剛度高及材料鋪層可設(shè)計(jì)性等優(yōu)異特性，成為改善產(chǎn)品性能的關(guān)鍵材料，已經(jīng)大量應(yīng)用于對(duì)重量要求苛刻的航空航天結(jié)構(gòu)，包括飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。任何一個(gè)大型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)連接是不可避免的。連接部位的設(shè)計(jì)技術(shù)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于此，碳纖維研習(xí)社將于2020年12月18日至20日在深圳組織復(fù)合材料連接、分析和試驗(yàn)培訓(xùn)，歡迎行業(yè)技術(shù)人員參加。
講師簡(jiǎn)介
謝鳴九 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研究員
1963年畢業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院數(shù)學(xué)專業(yè)，同年分配到國(guó)防科委某研究所。
1984年作為訪問學(xué)者在原西德宇航研究院結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所工作一年，從事固化應(yīng)力研究，論文在1986年的Composites Science and Technology雜志上發(fā)表。
從1977年開始從事復(fù)合材料力學(xué)研究。一直是部管復(fù)合材料連接預(yù)研課題的主管，參與殲8和殲10復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，并在后者復(fù)合材料系統(tǒng)工程擔(dān)任副主任工程師。任職期間試驗(yàn)了大量的連接試件和基本性能試件。
1994年聯(lián)合成都、沈陽和西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位編寫了《復(fù)合材料連接手冊(cè)》。該手冊(cè)總結(jié)了航空系統(tǒng)多年來關(guān)于復(fù)合材料連接研究的主要成果，并借鑒了國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。手冊(cè)結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)容豐富、技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用方便，實(shí)用價(jià)值很高。獲中國(guó)航空工業(yè)總公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
2009~2012年應(yīng)上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院的邀請(qǐng)給大飛機(jī)研究生特班講授《復(fù)合材料連接》課程。
2012年以來先后編著了《復(fù)合材料連接》和《復(fù)合材料連接技術(shù)》兩本專著。
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復(fù)合材料層合板實(shí)體螺栓連接實(shí)例 ￥99
復(fù)合材料層合板螺栓連接實(shí)例——實(shí)體螺栓
——Wind12306
復(fù)合材料螺栓連接問題屬于一種結(jié)構(gòu)分析范疇，其失效多樣性異于金屬結(jié)構(gòu)件連接。
繼前貼連接簡(jiǎn)易方法后的一種相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用，主要采用了自定義 “HASHIN”子程序等關(guān)鍵技術(shù)。
（1） 考慮了面內(nèi)（纖維拉伸，纖維壓縮，基體拉伸，基體壓縮，面內(nèi)剪切）失效；
（2） 巧妙的考慮了易損傷與不易損傷位置，大大節(jié)省了計(jì)算工作量；
（3） 考慮了螺栓接觸問題；
（4） 考慮了不同性能復(fù)合材料的搭接問題；
可為從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接件分析工作者提供參考。
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Abaqus復(fù)合材料螺栓連接件拉伸
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不銹鋼抽芯鉚釘連接復(fù)合材料單雙剪模型的損傷與失效影響
包括以下內(nèi)容：1vumat子程序,2調(diào)試好的抽芯鉚釘模型，3單雙剪切模型
碳纖維復(fù)合材料車門多位一體研發(fā)技術(shù)
本文中的碳纖維復(fù)合材料外板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形流暢光順，在所選預(yù)浸料布幅足夠的情況下直接整體鋪覆；內(nèi)板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了滿足預(yù)浸料鋪覆的工藝性，需要分塊鋪覆。
基于西門子Fibersim復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件，對(duì)外板和內(nèi)板的各鋪層方向織物的鋪覆性進(jìn)行了分析和優(yōu)化，內(nèi)板和外板工藝鋪覆性良好，能夠滿足制造需要。車門外板鋪覆性效果如圖4.1所示，車門內(nèi)板鋪覆性效果如圖4.2所示。
圖4.1 車門外板鋪覆性效果
圖4.2 車門內(nèi)板鋪覆性效果
鋪層展開圖用于復(fù)合材料車門的制造，導(dǎo)出數(shù)據(jù)可以直接作為自動(dòng)裁布機(jī)可識(shí)別的信息。碳纖維復(fù)合材料車門內(nèi)板0/90°方向鋪層展開圖如圖4.3所示。
圖4.3 車門內(nèi)板鋪層展開圖
5 連接設(shè)計(jì)與裝配
在復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)技術(shù)中，一般需要考慮到結(jié)構(gòu)件傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素，除此之外還要從環(huán)境狀況、可檢測(cè)性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和制造成本等方面進(jìn)行考慮。復(fù)合材料連接一般分為機(jī)械連接、膠接及混合連接。
5.1機(jī)械連接
圖5.1 機(jī)械連接示意圖
5.2膠接連接
復(fù)合材料的膠接是指借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實(shí)用、有效的連接工藝技術(shù)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用較普遍。膠粘連接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式也是多種多樣的，根據(jù)被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據(jù)材料的粘接方式又可分為對(duì)接、搭接、插接、階梯搭接等等。膠接連接示意圖如圖5.2所示。
圖5.2 膠接連接示意圖
5.3混合連接
圖5.3 混合連接示意圖
6 工藝成型及加工處理
6.1工藝成型
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的成型與制造技術(shù)基本上可分為兩大類，即濕法成型和干法成型。
展開 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)文件 ￥3
文件
復(fù)合材料防雷金屬網(wǎng)的應(yīng)用
但當(dāng)雷擊或雷電流通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)造成此復(fù)材結(jié)構(gòu)脆化，分層或斷裂。而且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷最嚴(yán)重的部位通常是能量密度最高的雷電流入點(diǎn)或出點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外航空工業(yè)研究的重點(diǎn)是如何加強(qiáng)復(fù)合材料部件的防雷擊保護(hù)（LSP），從而減少或消除雷電流損害。
復(fù)合材料飛機(jī)主要使用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP），碳纖維復(fù)合材料主要用于飛機(jī)蒙皮、機(jī)翼、副翼、垂尾、平尾、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、燃油箱、直升機(jī)葉片等承力結(jié)構(gòu)，玻璃纖維復(fù)合材料主要用于雷達(dá)罩、天線罩等需要透波的結(jié)構(gòu)。兩種復(fù)合材料的導(dǎo)電性能差異很大，因此其雷電防護(hù)方法也有很大不同，玻璃纖維復(fù)合材料主要采用金屬導(dǎo)流條和片段式導(dǎo)流條進(jìn)行雷電流防護(hù)，碳纖維復(fù)合材料主要采用火焰或等離子噴涂鋁、防雷金屬網(wǎng)進(jìn)行雷電流防護(hù)。由于防雷金屬網(wǎng)具有重量輕、柔韌性好，可在復(fù)合曲率表面鋪貼以及優(yōu)異的防雷效果等優(yōu)點(diǎn)，防雷金屬網(wǎng)已經(jīng)成為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件雷電流防護(hù)的主要方法。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)防雷金屬網(wǎng)選型及應(yīng)用工藝研究的比較少。本文將介紹防雷金屬網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和，選擇依據(jù)，使用方法以及防雷金屬網(wǎng)防護(hù)效果的判斷方法和標(biāo)準(zhǔn)，以便在碳纖維復(fù)合材料上更好地進(jìn)行防雷金屬網(wǎng)的應(yīng)用。
1. 雷電防護(hù)原則和目標(biāo)
飛機(jī)在起飛，著陸或穿過云團(tuán)時(shí)都可能會(huì)遭遇到雷擊。雷電放電可能發(fā)生在云地之間、云云之間、地云之間或者云內(nèi)，而飛機(jī)遭遇的大多都是云內(nèi)閃電。
展開 基于Abaqus的vumat進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料漸進(jìn)損傷與失效仿真
筆名：復(fù)材失效仿真
關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，航空航天，漸近損傷模型，有限元仿真，沖擊
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)漸進(jìn)損傷研究
復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。當(dāng)復(fù)合材料具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如連接結(jié)構(gòu)）或承受復(fù)雜工況（如沖擊載荷）時(shí)，層內(nèi)損傷的模式包括多種損傷模式纖維/基體脫粘、基體開裂和纖維斷裂，從而引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)漸進(jìn)失效。為了模擬這些現(xiàn)象，漸進(jìn)損傷模型（PDM）在過去二十年中常被使用并已被證明是一種有效的方法。PDM通過材料退化建模模擬損傷開始后的材料性能衰減，為預(yù)測(cè)復(fù)合材料的準(zhǔn)脆性破壞過程提供了一個(gè)準(zhǔn)確的框架。PDM軟化規(guī)律的形式由材料裂縫萌生和擴(kuò)展背后的物理機(jī)制決定，并影響初始損傷后的結(jié)構(gòu)承載能力。
連接結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)，其失效涉及復(fù)雜損傷機(jī)制。對(duì)于復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)，開發(fā)三維漸進(jìn)損傷模型模擬多搭接結(jié)構(gòu)的失效，預(yù)測(cè)的基體失效、分層擴(kuò)展失效模式可以與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)。對(duì)于復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)，基于損傷演化模型研究了單搭接螺栓復(fù)合材料過盈配合接頭的承載行為，數(shù)值模型很好地捕捉了復(fù)材膠接平面微觀形態(tài)中的纖維斷裂和基體裂紋，表明漸進(jìn)損傷模型在應(yīng)用中具有較好精確性。
復(fù)合材料在服役過程中有可能經(jīng)受外物沖擊而產(chǎn)生可見或不可見損傷。利用漸進(jìn)損傷模型對(duì)復(fù)合材料層合板的沖擊損傷傳播過程進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)加載過程中，不同損傷模式在層間的非均勻傳播特征。基于漸進(jìn)損傷模型建立層合板的損傷確定、逐步演化和本構(gòu)關(guān)系等損傷分析過程，能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)復(fù)合材料受單次或多次的沖擊行為。
建立漸進(jìn)損傷本構(gòu)模型
建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維有限元模型，采用實(shí)體單元和內(nèi)聚力cohesive單元分布模擬復(fù)合材料層內(nèi)和層間損傷。
展開 
常用復(fù)合材料設(shè)計(jì)模擬軟件特點(diǎn)匯總
ESAComp軟件是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件系統(tǒng) , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發(fā)起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學(xué)輕型結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室開發(fā)完成。其目標(biāo)為開發(fā)成一種可以在統(tǒng)一界面下包含所有復(fù)合材料分析和設(shè)計(jì)能力的軟件工具。ESAComp 具有基于微觀力學(xué)分析的廣泛的實(shí)體 / 夾層板分析、設(shè)計(jì)能力，而且它包含了針對(duì)單層板、層壓板、加筋板、梁和柱體，以及膠接和機(jī)械連接等等各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、連接形式的分析工具。具有同目前廣泛使用的各種有限元軟件包的交互接口，從而使 ESAComp 同設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)了無縫結(jié)合。
ESAComp 是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析工具，具有友好的圖形化用戶界面，多重分析和圖形化結(jié)果顯示，多級(jí)別的專業(yè)數(shù)據(jù)庫， 同目前廣泛使用的各種有限元軟件包的銜接能力，支持用戶定制的擴(kuò)展功能。雖然該軟件起源于航空、航天領(lǐng)域，但是已經(jīng)被開發(fā)成適用于復(fù)合材料研發(fā)人員的通用工具。
VISTAGY公司開發(fā)的FiberSIM是專門用于復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)和制造的工具。在三維模擬環(huán)境中，工程師可以使用此軟件建立復(fù)合材料部件完整的數(shù)字產(chǎn)品定義。FiberSIM支持整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程，還有多種材料的靈活設(shè)計(jì)方法和制造方法。該軟件可以模擬復(fù)合材料在復(fù)雜曲面上的變形，產(chǎn)生制造信息，這些信息包括文檔、平展模型和驅(qū)動(dòng)下游生產(chǎn)設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)。它支持包括手糊、模塑、預(yù)浸帶ESAComp軟件是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件系統(tǒng) , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發(fā)起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學(xué)輕型結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室開發(fā)完成。其目標(biāo)為開發(fā)成一種可以在統(tǒng)一界面下包含所有復(fù)合材料分析和設(shè)計(jì)能力的軟件工具。
展開 主動(dòng)變形智能復(fù)合材料設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
設(shè)計(jì)與變形模擬報(bào)告
主動(dòng)變形智能復(fù)合材料
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在通電條件下，MFC發(fā)生電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)生變形。主動(dòng)變形智能復(fù)合材料的變形能力與MFC的性能、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的厚度、鋪層方向等因素有關(guān)。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)是其結(jié)構(gòu)包括鋪層的可設(shè)計(jì)性，因此，需進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)及變形模擬方面的工作，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。
二、研究?jī)?nèi)容
本項(xiàng)目以復(fù)合材料層合板+MFC復(fù)合后的材料為研究對(duì)象，以復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能、MFC的基本性能為輸入，以復(fù)合材料層合板+MFC復(fù)合后的材料最大彎曲角度為2°為目標(biāo)，進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)和變形仿真模擬。建立厚度、鋪層方式與變形角度的關(guān)系，篩選出優(yōu)化的鋪層和厚度，為下一步進(jìn)行縮比典型試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)和研制提供理論指導(dǎo)。
展開 布里斯托大學(xué)力學(xué)頂刊：復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)綜述【收藏版】
從設(shè)計(jì)角度來看，有提高結(jié)構(gòu)效率有兩種思路：（1）替換材料（2）改變結(jié)構(gòu)構(gòu)型。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由一系列單獨(dú)元件通過接頭連接起來的網(wǎng)絡(luò)狀幾何結(jié)構(gòu)，組成元件主要承受軸向載荷。可以通過將材料分配到局部的離散元件提高結(jié)構(gòu)承載效率（例如可以將材料分配遠(yuǎn)離彎曲軸線或扭轉(zhuǎn)軸線的位置，來提升彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度）。
將復(fù)合材料應(yīng)用于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)同樣具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)：復(fù)合材料因其各向異性，具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，可以通過鋪層設(shè)計(jì)使主要軸向承載元件的性能最大化。將復(fù)合材料與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)構(gòu)型相結(jié)合，可以達(dá)到意想不到的高結(jié)構(gòu)效率。
近年來有關(guān)復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究興趣增多，但到目前為止，其在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍受到很大限制。主要原因是復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的元件組裝、連接異常困難。
廣義上講，復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造方法有兩種。第一種傳統(tǒng)的制造方法中，點(diǎn)陣元件是預(yù)先制作好的，然后組裝成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)體。這種方法制作的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相鄰元件之間的接頭處纖維存在不連續(xù)。第二種方法使用更先進(jìn)的制造技術(shù)來同時(shí)成型點(diǎn)陣元件和幾何體，如連續(xù)纖維增材制造。后一種方法可使相鄰元件之間的纖維保持一定的連續(xù)性，并可以大大減少或消除復(fù)合材料連接件。然而，這種方法也同樣面臨自身的挑戰(zhàn)。例如，在開放點(diǎn)陣幾何體中使用復(fù)合材料會(huì)使構(gòu)件難以固結(jié)。如何有效地制造這些復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是充分釋放點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)潛力的關(guān)鍵問題。
2022年，在新一期的《Composite Structures》期刊上，刊出了英國(guó)布里斯托大學(xué)有關(guān)復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的綜述文章《A review of composite lattice structures》，文章以復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造為重點(diǎn)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)綜述。
展開 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
連接
碳纖維復(fù)合材料部件開發(fā)過程中，不太可能都采用整體成型技術(shù)，需要進(jìn)行部件與部件之間的連接的，則需要對(duì)連接形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
一般來講，碳纖維復(fù)合材料部件的連接有三種形式：機(jī)械連接、膠結(jié)連接、混合連接。機(jī)械連接適用于連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結(jié)主要是利用粘結(jié)劑將零件連接成不可拆分的整體。
混合連接是膠結(jié)和機(jī)械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。
疲勞與沖擊損傷
復(fù)合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數(shù)情況下，沖擊損傷在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
一般情況下，復(fù)合材料的拉伸疲勞優(yōu)于金屬。在正交層合板時(shí)疲勞或交變載荷作用下的開裂相對(duì)穩(wěn)定，比金屬開裂擴(kuò)展的慢。對(duì)復(fù)合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突變
3. 突起
4. 極端的偏心載荷
5. 螺栓連接接頭
6. 快速擺動(dòng)
沖擊損傷
對(duì)于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)將CAI強(qiáng)度（沖擊后壓縮強(qiáng)度）作為設(shè)計(jì)參數(shù)之一。飛機(jī)上確定損傷容限就是這么考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷范圍，如果超出這個(gè)限度，損傷將會(huì)顯著影響部件的性能。碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷容限必須在可檢測(cè)到的范圍內(nèi)，作為設(shè)計(jì)參數(shù)之一加以考慮。
即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生CAI強(qiáng)度的下降。改善沖擊損傷的損傷容限，可以在碳纖維材料中加入芳綸纖維或者玻璃纖維。
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