復合材料連接技術的案例
復合材料連接設計、分析和試驗培訓
先進復合材料因其比強度和比剛度高及材料鋪層可設計性等優異特性，成為改善產品性能的關鍵材料，已經大量應用于對重量要求苛刻的航空航天結構，包括飛機機翼機身等主承力結構。任何一個大型結構，結構連接是不可避免的。連接部位的設計技術是復合材料結構設計中的關鍵技術之一?；诖耍祭w維研習社將于2020年12月18日至20日在深圳組織復合材料連接、分析和試驗培訓，歡迎行業技術人員參加。
講師簡介
謝鳴九 中國飛機強度研究所研究員
1963年畢業于北京鋼鐵學院數學專業，同年分配到國防科委某研究所。
1984年作為訪問學者在原西德宇航研究院結構力學研究所工作一年，從事固化應力研究，論文在1986年的Composites Science and Technology雜志上發表。
從1977年開始從事復合材料力學研究。一直是部管復合材料連接預研課題的主管，參與殲8和殲10復合材料結構設計技術攻關項目，并在后者復合材料系統工程擔任副主任工程師。任職期間試驗了大量的連接試件和基本性能試件。
1994年聯合成都、沈陽和西安飛機設計研究所等單位編寫了《復合材料連接手冊》。該手冊總結了航空系統多年來關于復合材料連接研究的主要成果，并借鑒了國外的先進經驗。手冊結構完整、內容豐富、技術先進、應用方便，實用價值很高。獲中國航空工業總公司科技進步二等獎。
2009~2012年應上海交通大學航空航天學院的邀請給大飛機研究生特班講授《復合材料連接》課程。
2012年以來先后編著了《復合材料連接》和《復合材料連接技術》兩本專著。
展開 碳纖維復合材料車門多位一體研發技術
本文中的碳纖維復合材料外板結構簡單，外形流暢光順，在所選預浸料布幅足夠的情況下直接整體鋪覆；內板結構較為復雜，為了滿足預浸料鋪覆的工藝性，需要分塊鋪覆。
基于西門子Fibersim復合材料設計軟件，對外板和內板的各鋪層方向織物的鋪覆性進行了分析和優化，內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 車門內板鋪覆性效果
鋪層展開圖用于復合材料車門的制造，導出數據可以直接作為自動裁布機可識別的信息。碳纖維復合材料車門內板0/90°方向鋪層展開圖如圖4.3所示。
圖4.3 車門內板鋪層展開圖
5 連接設計與裝配
在復合材料連接設計技術中，一般需要考慮到結構件傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素，除此之外還要從環境狀況、可檢測性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和制造成本等方面進行考慮。復合材料連接一般分為機械連接、膠接及混合連接。
5.1機械連接
圖5.1 機械連接示意圖
5.2膠接連接
復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，是一種較實用、有效的連接工藝技術，在復合材料結構連接中應用較普遍。膠粘連接接頭的結構設計形式也是多種多樣的，根據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；根據材料的粘接方式又可分為對接、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
先進樹脂基復合材料的成型與制造技術基本上可分為兩大類，即濕法成型和干法成型。
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復合材料層合板螺栓連接實例——實體螺栓
——Wind12306
復合材料螺栓連接問題屬于一種結構分析范疇，其失效多樣性異于金屬結構件連接。
繼前貼連接簡易方法后的一種相對復雜的應用，主要采用了自定義 “HASHIN”子程序等關鍵技術。
（1） 考慮了面內（纖維拉伸，纖維壓縮，基體拉伸，基體壓縮，面內剪切）失效；
（2） 巧妙的考慮了易損傷與不易損傷位置，大大節省了計算工作量；
（3） 考慮了螺栓接觸問題；
（4） 考慮了不同性能復合材料的搭接問題；
可為從事復合材料結構連接件分析工作者提供參考。
附：inp ， ppt，子程序， 課后可加我qq附上相應教學視頻。
展開 美國宇航局先進復合材料技術之3D打印碳纖維復合材料
技術概述
美國宇航局格倫研究中心（NASA Glenn Research Center）的創新者與路易斯維爾大學和美國空軍合作，開發了一種增材制造技術，使用熱固性聚酰亞胺樹脂生產具有高溫性能的復合材料零件。
該工藝使用選擇性激光燒結（SLS）來熔融加工NASA新型RTM370酰亞胺樹脂的粉末狀產品，該樹脂填充有精細研磨的碳纖維。隨后可以對所得復合材料零件進行后固化，為高溫航空航天應用做準備，從而提供可承受300°C以上溫度的3D打印復合材料零件。
這是增材制造聚合物技術的重大進步，通過提供一種需要相對較低熔融溫度的SLS工藝，創建得到具有高溫能力的復合材料，從而能夠對具有復雜幾何形狀的零件進行3D打印，以實現高性能應用。
? 3D科學谷白皮書
技術特征
NASA的這項技術是首個成功實現高溫碳纖維填充熱固性聚酰亞胺復合材料的3D打印技術。對碳纖維填充的RTM370進行選擇性激光燒結后進行后固化，以實現更高的溫度性能，從而獲得玻璃化轉變溫度為370℃的復合材料部件。
▲NASA 通過SLS 工藝3D打印的熱固性聚酰亞胺復合材料，打印完成后需進行后固化。
SLS工藝通常使用熱塑性聚合物粉末，所得零件的有效溫度范圍為150-185°C，但與傳統加工材料相比，通常較弱。最近，高溫熱塑性塑料已經通過高溫SLS工藝制造成3D零件，需要380°C的熔化溫度，但這些部件的可用溫度范圍仍低于200°C。
NASA的熱固性聚酰亞胺復合材料在150-240°C之間可熔融加工，允許使用常規SLS 3D打印設備。隨后，使用多步驟循環對所得零件進行后固化，將材料緩慢加熱至略低于其玻璃化轉變溫度，同時避免在過程中發生尺寸變化。
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Abaqus復合材料螺栓連接件拉伸
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層間插入Cohesive層模擬分層
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復合材料采用Puck VUMAT子程序，內附有cae，inp，puck子程序，ODB等文件
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1.復合材料螺栓連接視頻教程；
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4.復合材料螺栓連接接觸視頻案例
上海工程技術大學《JMPT》長篇綜述：鋁/鋼異質材料激光連接技術！
前期文獻調研發現，WOS檢索系統中鋁/鋼異質連接的相關文獻超過700篇；為此，亟需對以上文獻進行分類梳理、總結歸納、全面分析以及展望評述。
圍繞激光連接技術，本文從激光深熔焊、激光熔釬焊、激光復合焊三方面系統地梳理了鋁/鋼激光異種金屬激光焊接方法，討論分析了填充材料中合金元素對鋁/鋼異種材料界面反應產物和接頭機械性能的影響，系統介紹了輔助能場（電弧、攪拌和輥壓等）對鋁/鋼激光焊接頭的影響規律，簡要評述了基于增材制造的異質材料連接新工藝。文章還介紹了異種焊接的常用數值分析方法：宏觀尺度上模擬溫度場、流場和應力應變的等效熱源法和熔池仿真法，介觀尺度上模擬熔池微觀組織的相場法、元胞自動機法和蒙特卡洛法；此外，還介紹了機器學習算法在性能預測方面的一些嘗試。文章重點討論了焊接缺陷、接頭形貌、金屬間化合物和界面結合強度對鋁/鋼連接接頭機械性能的影響規律；最后，作者對鋁/鋼異種金屬激光連接技術提出了展望評述。
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NIAR在增材制造材料和自動復合材料技術方面取得進步
ASTM國際組織和四個創始合作伙伴最近成立了該中心，以支持研發，推動增材制造標準的發展，從而推動尖端增材制造技術的商業化。
“憑借其優勢，NIAR將致力于對增材制造材料進行認證，并進一步加強與全球主要航空航天監管機構的聯系，”ASTM國際全球增材制造項目主管MohsenSeifi博士說?！袄盟麄冊谘邪l方面的專業知識，我們將開發急需的標準，這將大大提高航空和其他行業的認證。我們很高興讓NIAR團隊加入。”
此外，新成立的NIAR高級結構自動化技術實驗室（ATLAS）最近生產了第一臺自動化復合板，采用三軸龍門式自動鋪帶機和三英寸帶。該設備使用其氣動頭來鋪設碳纖維帶，能夠制造長達16英尺，寬10英寸的面板。
自動化制造技術大大提高了生產率并減少了角料數量。以前，這個面板的鋪設需要花費幾個小時的時間，而現在在七分鐘內便可完成。該帶鋪設機是支持NIAR開發自動化復合材料制造技術的首批設備之一。ATLAS將很快利用行業標準的自動化機器人系統和先進的在線檢測系統，擴展其制造大型復合材料結構的能力，如機翼翼梁，機翼蒙皮和機身部分。
ATLAS研究人員目前正在與NASA，國防部，認證機構，行業和學術界建立合作伙伴關系，以開發創新技術來進一步提高生產率，同時創建一個數據驅動的“未來工廠”來管理靈活的費率。ATLAS研究將通過解決航空航天制造問題，同時降低成本和管理復雜性來加速創新。一些初步研究項目將側重于為使用自動化技術制造的結構開發認證框架，以加快引入新材料、先進連接技術和先進工藝，這將確保材料性能滿足計劃目標來縮短認證時間。
玻纖https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2888
展開 2018復合材料新標準、新技術及新材料應用研討會
針對新形勢下“加強環保、污染防治”的要求，上海防腐蝕新材料工程技術研究中心聯合上海市腐蝕科學技術學會，將于9月4日在上海組織召開“2018復合材料新標準、新技術及新材料應用研討會”。
報到時間和地點
會議時間：2018年9月4日
報到時間：9月3日 13：00﹣20：00
9月4日 8：00-8：45
報到地點：上海 ? 錦江都城酒店（中山西路2525號）
會議內容
會議邀請行業內著名資深專家，以專題報告形式講解以下主題內容：
1、《工業建筑防腐蝕設計規范》（GB 50046）的修編工作及新增內容解讀
2、《加油站在役油罐防滲漏改造工程技術標準》的制定和解讀
3、《結構用纖維增強復合材料拉擠型材》（GB/T 31539-2015）內容解讀，《纖維增強復合材料拉擠型材結構技術規程》的編寫工作進展及復合材料拉擠型材在建筑領域的應用
4、2018JEC國際復材展中的前沿創新技術
5、高性能環氧樹脂及其在復合材料中的應用
6、預浸料的性能介紹及在復合材料行業中的應用
7、熱塑性復合材料的性能及應用
8、“美麗堅”加油站在役油罐內襯改造系統介紹
參會人員可與專家互動交流，解答設計、研發、生產、使用過程中出現的實際問題。
展開 英國航空航天技術新突破：新型復合材料焊接技術
AGC aerocomposites(復合材料航空航天組件供應商)，已經開發出一種新型的熱塑性復合材料焊接技術，使復合材料焊接性能得到優化。
AGC aerocomposites最近完成了他們的“CoFusion”項目，項目資金來自國家航空航天技術開發項目(NATEP)，在此期間該公司分別與英國國家復合材料中心、騰卡特先進復合材料和勞斯萊斯合作。該項目旨在優化一個創新的、低成本的熱塑性復合材料焊接工藝的效率和適用性。
“CoFusion”項目表明，碳/聚苯硫醚(PPS)復合熱元件能夠通過利用電阻復合焊接元素焊接形成復雜組件，且該元素中不含金屬網格和插入物。
由此產生的焊接組件的高強度和疲勞性能已經在試樣和組件水平中被證明。低成本的設備和材料僅用三分鐘就可以加熱到焊接溫度。該過程并不局限于平面組件，有明顯曲率的面板同樣可以焊接。生成的都是高質量焊縫，符合標準的超聲波無損檢測規范。
焊好的頂帽夾芯板與相同的鉚件在生產和結構上進行抗扭強度和疲勞試驗對比。焊接構件具有較高的剛度和強度可達鉚件的五倍。運行350000周期無損傷的焊接構件的疲勞性能也明顯優于僅用50000個周期的鉚件。
Wayne Exton，AGC aerocomposites首席執行官說到：“CoFusion”項目是我們公司追求復合材料技術進步的一個巨大機會，焊接熱成型熱塑性復合材料形成高效輕量組件的能力允許我們繼續為我們的全球客戶提供創新、高品質、高性價比的產品。
NATEP的資金運行了18個月，項目的總預算為275000英鎊;其中一半的資金來自NATEP。
玻纖布生產廠家https://www.hongyantu.com/index.php?r=landing/index&id=bxb
展開 汽車輕量化材料及連接技術現狀分析
圖 2 捷豹路虎車身用材及比例
1.3 玻纖/碳纖增強復合材料
樹脂基復合材料不僅可使零部件降低多達 40%的質量，而且還可以使生產成本降低 40%左右。目前，玻璃纖維增強樹脂復合材料和碳纖維增強樹脂復合材料在汽車上已經獲得成功的應用，已大量應用于汽車內飾件和外飾件。玻璃纖維增強樹脂復合材料（GFRP）耐腐蝕、絕緣性好，特別是有良好的可塑性，對模具要求較低，對制造車身大型覆蓋件的模具加工工藝較簡易，生產周期短，成本較低。在轎車和客車上，采用玻璃纖維增強樹脂復合材料制造的轎車車身覆蓋件、客車前后圍覆蓋件和貨車駕駛室等零部件。碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有輕質高強、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設計性強、易成型、減振阻尼性能好等一系列優點，既能夠滿足部件剛強度、輕量化的設計要求，在車輛安全性上也具有明顯優勢，因而是很有前途的汽車用輕量化材料，不過，目前存在成本高、成型周期長等缺點。
2 連接技術
目前汽車連接方式有焊接、鉚接、螺接和膠接等，由于鋁合金、高強鋼、復合材料等輕量化材料的使用，傳統的焊接不再適用，需要新的連接方式。異種材料的連接主要面臨三個問題：界面硬脆相、電化學腐蝕、變形和應力。針對異質材料連接所面臨的上述挑戰，汽車科技人員開發了不同的連接工藝，如表 2 所示。
表 2 不同材料之間的連接方式
從表 2 可見，鋼和鋼之間的連接可用傳統的電阻電焊、激光電焊等，使用無鉚釘鉚接（Clinching）、鎖鉚（SPR）和熱熔鉆（FDS）技術可實現鋼鋁的連接，攪拌摩擦焊是鋁材之間較好連接方式。
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