复合材料连接方法

航 天 返 回 与 遥 感 1997年 I2月 M ICRoPRoCESSoR CoNTRoLLING oF SERVo MECHANISM IN SINGLE M 0ToR oF CoNTRoLLED RAM AIR PARACHUTE Yan Jian (Beijing Institute of Space Machine＆ Electricity，Beijing，100076) Abstract There are two groups of controlling lines at the trailing edge of the con trolled ram air parachute．which can change the flying direction of the ram air parachute and realize retrieval at the preassigned location(area)．Generally two motores are used for two groups of controlling lines respectively at home and abroad In order to promote the performance of the system and reduce the components，a new concept that only a single motor was used in to control either the left or the right was developed，This article will mainly introduce hardware and software in m icroprocessor controlling system of the ram air parachute． subjeat Term Ram air parachute Motors Microprocessor control system． (上接 第39而) 参 考 文 献 1 Bunin B L Critical Composite Jointer Subcomponent．No 7— 1O975．1987． 2 Genre Lnbin Hand book of Composite．Van Nastrand Reinhold Company，1982 3 胶粘剂拉伸剪切强度测定．GB7124--86 4 纤维增强塑料层压板螺栓连接挤压强度试验方法 GB7559--87 5 丁惠粱等译．欧洲航天局编 ．空间结构用复台材料手册 ．航空航天部飞机强度研究所，1992．10 6 航空航天工业部科技研究院编 ．复合材料设计手册，北京：航空工业出版社，1990 JoINT TECHNoLoGY FoR CoM PoSITES W o Xiyuan (Beijing Institute of Space Machine＆ Electricity．Beijing 100076) Abstract In this article，Several methods of joint for composites are discussed For each method．its failure mode and option of joint mode are analysised．These years，in some countries，new development of joint methods for composites is taken place，this article in— troduces the status Subject Term Composites joint ． Failure M ode Test 维普资讯 http://www.cqvip.com 1997年 12月 航 天 返 回 与 遥 感 SPACECRAET RECOVERY ＆ REM0rE SENSING 3l 复合材料连接方法 沃 ．蛆 (北京空间机 叵 所，北京l【】(]o76) 丁 弓 摘要 文中叙述7复合材料常用的几种连接方法．1各种连接的破坏模，，弋和连接形 7 ／．印 式的选择，同时还介绍 1国外复合材料连接方法新进展等内容。 主词墅 型 试墅 掀 1 前言 复合材料是一种由多种性质极不相同的材料组成的多相材料。具有代表性的是聚合物基 奸维增强复合材料 (以下简称复合材料)。它不仅具有比强度高、比刚度高、密度小、热膨胀系 数小以及尺寸稳定性好等特点，而且还可以根据需要进行设计，合理地达到所要求的使用性 能。因此，复合材料在空间技术的发展中影响越来越大，应用也越来越广泛。 尽管复合材料成型工艺技术不断进展，使复合材料结构的整体性有较大提高。但是，由于 复合材料成型工艺技术水平的限制和复合材料构件不可避免要与金属、零部件相连接，从使 用、安装的实际需要出发，还必须有一定的结构分离面和工艺分离面。可见在复合材料结构 上，仍存在大量的连接问题。有时连接部位是整体结构的薄弱环节，据有关资料介绍，在复合 材料结构件中有一半以上的破坏都发生在连接部位 由此不难看出，复合材料的连接工艺技 术是复合材料应用中重要的组成部分，复合材料连接方法取决于其产品的功能和使用技术条 件，深入分析复合材料连接特性，合理和灵活地运用复合材料的连接型式及方法，是提高复合 材料结构件强度、减轻结构重量、充分发挥复合材料优异特性的重要条件之一。在这方面近年 来国内外从事复合材料研究学者进行了大量卓有成效的研究工作，并取得了一定成效。本文 将着重介绍复合材料各种连接型式和连接方法的特性，同时还介绍了国外连接方法新进展等 内容。 2 复合材料结构常用连接方法 复合材料零件之间或者复合材料与金属零件之间的连接，通常有三种连接方法：胶接、机 械连接和混合连接。现将其有关内容简述如下。 2．1 胶接 胶接连接是复合材料结构中较普遍采用的一种连接方法。这种连接方法是借助胶粘剂将 其胶接零件连接成不可拆卸的整体，是一种较实用有效的连接工艺技术 有时还能为研制生产 解决关键性工艺技术。 ’ 收稿 日期：1997一O6～09 ： 占 ，， 0，蝴 f、1／第 ， 蜷 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 航 天 返 回 与 遥 感 I997年 l2月 胶接连接的优点是：不会因钻孔和焊点周围应力集中所引起的疲劳龟裂；连接效率高、结 构重量轻；适宜连接异形、异质、薄壁、复杂的零件；表面光滑、外观美观、工艺简便、操作容易， 可节省能源，因而具有一定的经济效益。 胶接连接的缺点是：质量控制比较困难；胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)的影响，存在 一 定的老化问题，胶接连接后一般不可拆卸。 2 2 机械连接 尽管复合材料具有整体成型的特点，但仍不可避免有时需要与金属材料进行机械连接。 复合材料机械连接的主要特点是：连接结构一般采用间隙配合．不用干涉配合．对碳／环氧复合 材料构件，为防止电偶腐蚀，一般用电位接近的钛合金、耐蚀不锈钢等金属材料紧固件进行机 械连接。 机械连接的优点是：易于质量控制，安全可靠，强度分散性小，能传递大载荷；便于装卸。 机械连接的缺点是：开孔引起应力集中，连接效率低，增加紧固件或铆钉的重量。 按照所用紧固件及连接工艺的不同．机械连接又可分为：铆接、螺接和专用紧固件连接 其中铆接是一种不可拆卸的连接；螺接可传递大载荷，便于装卸，其安装工艺基本与金属结构 相同。为了满足某些特殊要求，如结构不开闭、难于触及、密封、表面曲率大等情况下．可采用 特殊紧固件连接。 2．3 混合连接 将胶接与机械连接结合起来，从工艺技术上严格保证两者变形一致，同时受载，其承载能 力和耐久性将会大幅度提高。混合连接主要用于提高破损安全性、胶接连接的维修、改善胶接 剥离性能等。 在复合材料连接工艺技术中，选用何种连接方法，主要根据实际使用要求而定。一般来 讲，当承载较大，可靠性要求较高时，宜采用机械连接。当承载较小、构件较薄、环境条件不十 分恶劣时，宜采用胶接连接。在某些特殊情况下，为提高结构的破损一安全特性时，可采用混 合连接。 3 复合材料连接结构的破坏模式分析 3 1 复合材料连接接头分析 复合材料连接结构的破坏形式、破坏载荷是人们最为关心重要内容之一。在对复合材料 连接结构作强度和破坏分析时，一般从结构中取一典型单元一连接接头来研究。连接接头通 常由复合材料层板、紧固件和胶层等组成。图 1—1为典型的胶接连接接头。图 1—2为典型的 机械连接接头。 衡量接头质量好坏的重要标志是接头效率 P，即 P= · (1) 而 =P．／ (2) R =G．／Go (3) 式中： ——接头承载效率 — — 接头重量效率 P．——接头能够承受最大载荷(N) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l8卷第 4期 航 天 返 回 与 遥 感 33 图 1一l 典型胶接接头 尸 二— 鸯 一 一 图 1--2 典型机械接头 (a)多钉； (b)单钉 Pf——无接头连续元件能承受的最大载荷(N) G ——接头重量(kg) — — 无接头连续元件重量(kg) 由此可见，当 和 愈接近于 1，接头连接质量愈为成功。 3．2 胶接连接接头的破坏模式 胶接连接接头的破坏分析，一般可通过测定载荷(P)——位移( )曲线来进行。观察表明， 胶接接头在拉伸或压缩载荷作用下，主要有三种破坏模式见图 2。即接头外边的胶接件拉伸 (或拉弯)破坏、胶层剪切破坏和剥离破坏。 i 离 胶层剪切 上 除上述这三种主要破坏模式外．还会发生混合破坏。胶接接头的破坏模式，与胶接接头几 何参数有关。当胶接件很薄，接头强度足够时，接头外边的胶接件将发生拉伸(或拉弯)破坏； 当胶接件较厚，但偏 tL"力矩尚小时，易在胶层产生剪切破坏；当胶接件很厚，搭接长度与板厚之 比叉不够大时，在偏心力矩作用下，将在胶层或接头端部的胶接件层间发生剥离破坏。 3．3 机械连接接头的破坏模式 机械连接接头的破坏分析．与胶接连接接头的破坏分析一样，也可通过测定载荷(P)一位 移 (a)曲线来进行。如果用连接接头所能承受的最大载荷 Pm 或 ‰ 作为连接接头的强度指 标，用上述方法是很容易测得的。但由于复合材料结构出现初始破坏后，再次使用时是不可恢 复的．故人们更加关心的是使接头产生的初始破坏载荷。目前有的资料将载荷一位移曲线的 第一峰值作为确定初始破坏载荷的依据。实践表明．复合材料层板机械连接接头主要有拉伸 破坏、剪切破坏、挤压破坏、劈裂破坏和拉脱破坏等五种破坏模式见图3。前三种为基本破坏模 维普资讯 http://www.cqvip.com 航 天 返 回 与 遥 感 1997年 12月 式，与金属材料是一样的，而后两种是复合材料所特有的 除上述五种主要破坏模式外，还会 发生各种组台破坏的模式。 拉伸 剪切 挤匿 劈裂 拉工}i 幽3 机械接接头破坏模式 4 复合材料连接形式和接头几何参数的选择 4．1 胶接连接形式和接头几何参数的选择 4．1．1 连接形式的选择 从复合材料结构的强度观点考虑，胶接连接接头应注意 下几点： a．使胶层在最大强度方向受剪力； b．尽可能减步应力集中； c．防止接头端部层间剥离破坏； d．有效地增大胶接面积，提高接头的承载能力。 上述几点内容总的目的是使胶接接头强度高于胶接件强度或与之处于同一量级。为此， 应从连接形式、接头几何参数的选择等方面着手，满足其基本要求。综合考虑上述诸点内容， 对复合材料板型构件，主要有四种基本连接形式，见图 4。 — 吕 。 一 P (a) — ～ J p —一 - 一 P (b) ，一 一 ，一 一 ， 单面) (c) (双面) P一 一 一 单面) (d) (双面) 圈 4 腔接接头基车连接形式 (a)单搭接 (b)双搭接 (c)斜接 (d)阶梯形搭接 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l8卷第 4期 航 天 返 回 与 遥 感 35 从强度观点出发．当复合材料胶接件 比较薄时．宜采用较简单的单搭接或双搭 接形式，而当复合材料胶接件较厚时，由 于其偏心载荷所产生的偏心力矩加大，此 时宜采用阶梯形搭接或斜接。 4．1 2 接头几何参数的选择 胶接接头的主要作用是将载荷(拉伸 或剪切)从一个复合材料构件传递到另一 个复合材料构件上。以承受拉伸载荷 P 的等厚度单搭接接头为例见图 1— 1所 示，其胶接接头几何参数是：搭接长度 2l、胶接构件厚度 f和胶层厚度 h。 胶接构件的厚度通常由载荷 P 确 定。胶层厚度对胶接接头强度有一定影 响，增加胶层厚度可以减少应力集中，提 高其连接强度，但胶层厚度过大，易产生 气泡等缺陷，反而会使胶接接头强度下 降。实践表明．胶层厚度一般选择以 0．1～0．15mm为宜。搭接长度 2f(或搭 接长度与胶接构件厚度之比2 l／t)是胶 接接头工艺设计中很重要的接头几何参 数，对单搭接接头尤为重要。在这种胶接 接头中，由于偏心载荷产生的附加弯矩对 接头的承载能力影响很大，而附加弯矩大 小主要取决于 2￡／t的比值，当2 f／t= 10时，连接效率为 1／3；2 f／t=50时，连 P／(kNlem l 3．5 3．O 2 O 图 5 接头承载能力 P随 2t／t的变化 ／f = =毒 一 巨三至}=一 一 ， E 三 一P 巨三三群 一， 斜面搭接 ( 】 图 6 机械连接的连接型式 (a)单剪接头 (b)双剪接头 接效率为 3／4；2 f／t=100时，连接效率可达 0．90，实践表明，较佳的胶接接头工艺设计是 2 ￡／t 5O～ 100。 另外．从分析结果得知，胶接接头传递载荷是不均匀的，主要集中在两端．中间是低载弹性 槽。这个槽形分布低载部分的作用是抑制胶层蠕变破坏，当出现缺陷时为应力重新分布留有 余地。这对防止蠕变损伤积累、提高胶接接头的耐久性是非常重要的。如果搭接长度很短而又 传递较大载荷时，则整个胶层应力均进入塑性变形，此时胶接接头会很快破坏。因此．尽管 2 f／ 比值大到一定程度，胶接接头的承载能力由图 5可见是无明显提高的，但从使用寿命考 虑，在工艺设计可能范围之内．还是希望 2 l／t比值尽可能取得大一点。除此之外，值得注意的 是复合材料的胶接接头承载能力与所选用的胶粘剂性能密切相关，在实际应用中除考虑胶接 静强度外．更重要的是考察其疲劳性能和湿热环境效应，以确保复合材料构件连接质量稳妥可 靠。 4．2 机械连接形式和接头几何参数的选择 4．2 1 连接形式的选择 维普资讯 http://www.cqvip.com 航 天 返 回 与 遥 感 1997年 12月 机械连接接头的连接形式很多，但从受力形式分析，一般可分为单剪或双剪两类，即通常 所讲的单搭接和双搭接，其各种典型连接形式见图6。应当注意的是这两类连接形式中，双搭 接连接形式附加弯矩较小，在实践工作中应当优先选用。 4．2 2 接头几何参数的选择 机械连接接头几何参数主要有：间距 Ⅳ、行距 B、端距 、边距 S、孔径 d和板厚 t等见图 l一2所示，合理地选择这些参数．能有效地减少复合材料构件的应力集中，且提高其接头强 度。现将有关内容分述如下。 a．紧固件直径 d的选择 紧固件直径 d可根据其剪切强度来定。若所需传递的载荷为 P，紧固件的剪切强度为 【r】，在单面受载时，应满足如下强度条件： P r ≤ [r] 4 r 则 d √斋 b，间距 、行距 B、端距 e和边距 S的选择。 这些参数的选择主要取决于各种试验。试验结果表明，对碳／环氧复合材料接头几何参数 可参照表 1所列数据进行选择，当无法保证 e／d≥4时，可按照其试验曲线进行必要的修正。 表 1 碳，环氧复合材料接头几何参数选择参照表 板 厚 f 间距 W 边距 s 端 距 e 行距 b 3≥d／ ≥1．5 5 2．5 ：≥4 d ≥4 d 对于玻璃纤维复合材料接头几何参数可参照表 2所列数据进行选择，当无法保证端距时 ’ 可按照其试验曲线进行必要的修正。 表2 玻璃纤维复合材料接头几何参数选择参照表 板厚 t 间距 W 边距 s 端距 行距 b < 3 mm 5 2 3 d 3～5mm 4～5 1．5 2．5 ≥4 d > 5 mm 4 I．25 2 c一孔径与板厚的关系 复合材料构件机械连接中，通常最好选用100。沉头紧固件连接，要求埋头窝深 ≤^t／3，为 此板厚与孔径有一定的匹配关系。详见表 3所示。 表 3 选用 100。沉头．景同件连接时．板厚与孔径的匹配关系 孔径d／ram 最小板厚／mm 孔径d／tara 最小板厚／mm 3 0～ 3 5 1 5 6．O～ 7 O 3．5 3．5～ 4．0 2 0 7．0～ 8 0 4 0 4 ()～ 5 0 2 5 8．0～ 9．0 4．5 5．0～ 6．0 3 0 9．0～ 10 0 5 I】 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 18卷第 4期 航 天 返 回 与 遥 感 37 5 国外复合材料连接方法新进展 据有关资料介绍，国外在复合材料连接方法方面进行了大量卓有成效的研究工作。他们 一 致认为复合材料结构的多数破坏发生在连接处，连接接头的重量约占复合材料结构总重量 20％左右。因此，对复合材料结构连接的材料、强度、设计和工艺的综合问题应引起足够重视。 目前主要着重对复合材料连接接头的蠕变和耐久性能的研究；环境条件对复合材料连接接头 性能影响和破坏的基本形式等方面进行较深的研究，并积累了一定应用，在机械连接中的 螺纹连接和铆接连接能保证复合材料结构所需的强度、可靠性和使用寿命，因此应用较为广 泛。现将国外复合材料连接方法新进展的部分内容分析如下。 5、l 螺拴一柱连接 螺栓一柱连接适用于承受高载荷的复合材料构件。其主要特点是在复合材料构件上有加 厚的端部，而在加厚端部沿圆周分布着孔和槽，并在其中安装柱销和螺栓，见图 7所示。 图 7 可拆卸法兰盘式对接接头 (a)螺栓一柱锖接头： 1一加厚的法兰盘 2一柱销 ； 3一螺柱 (b)具有轻质芯层的对接接头结构： 1一内受力筒； 2一外受力茼； 3一芯岳； 4一柱销； 5--螺栓； 6一对接法兰盘 根据螺栓一柱销连接接头的结构特点和技术要求，端部既可以做成外加厚法兰盘，也可以 做成内加厚法兰盘。加厚法兰盘根据复合材料构件的功能和使用载荷特性采用不同的成型工 艺方法制造。通常推荐的成型方法有：局部缠绕成型、补强成型、运用特种加强片等。值得注意 的是在承受高载荷的法兰盘中，柱销孔不局限于单排分布，也可采用多排的 L交错排列的方 式。采用多排连接形式时，柱销孔应加工成椭圆形状，并采用长度不等的螺栓，由此可降低应 力集中现象，并保证各排的紧固件承受载荷较为均匀，使其连接更为稳妥可靠。 5．2 自楔紧连接 自楔紧连接方法的原理是，在复合材料被连接的型面中插入几块特殊的楔紧元件，它们通 常具有各种形状的双面楔紧面；工作载荷借助这些楔紧面实现方向转变，使在连接接头处形成 维普资讯 http://www.cqvip.com 航 天 返 回 与 遥 感 1997年 L2月 相当大的径向力，从而使复合材料零件 整个厚度上的层片都局部受到径向压 缩 ；压缩压力的存在也就导致复合材料 层间结合力增加，因而可以大大提高复 合材料的极限层间强度和刚度。 利用楔紧原理的连接方法可以保 证随着连接件承受载荷增大，连接接头 的强度也增加。特别是对于压力套管， 作用在套管中的内压愈大，连接接头所 能承受的载荷也愈大。此时 自楔紧连 接就会显示出其独特的优点。 自楔紧连接接头的结构要根据连 接件的用途和载荷特性的不同进行设 计，因为每种连接接头的型面几何尺 寸、楔形件和支持件的关系都不完全相 同。采用特殊楔紧元件可使沿接头长 度的载荷分布得更均匀。特殊型面的 设计规则应与接头的剪应力图相吻 合。图 8为典型的自楔紧连接接头示意 图，在实际使用时可根据复合材料构件 特性，进行必要的修改，来满足其使用 要求。 5 3 缝合和钉针连接 据有关资料报导，复合材料连接接 头的破坏大多数是因紧固件孔附近破 坏引起的，破坏区域范围与紧固件的孔 径有关。根据连接接头的几何参数和复 合材料力学性能分析，复合材料构件紧 固件最适宜的直径 d：0。3～1．5mm。 当使用这种直径范围的紧固件连接复 合材料构件时，其连接效率为最佳。按 照传统的螺接和铆接方法，应用这样小 直径的紧固件是非常困难的。因此提 出了缝合和针钉连接方法，其典型的连 接结构见图9所示。采用这种连接方法 有人曾做过试验，从强度试验结果表 明，它们的连接效率约为 95％；交变载 荷试验结果表明，孔径 d=lmm的连 接接头耐久性是孔径 d=6mm的接 图8 自楔紧连接接头 (a)斜向对称形式； (b)对称形式 1一层压复音材料；2、3一金属套环} 4、5一过菠衬套； 6一弹簧圈； l一剪应力分布图。 ． 、 。 窑 5 ，， 墅 枣T 厂“ 鼢 厂 r—■ 一 F； ‘盈备品 竺 (a) (b) 图 9 缝合和针钉连接方法 (a)缝台工艺(软性连接)方法： 1一双面缝台； 2～单面缝台} 卜 缝冲连接 (b)针钉连接工艺(硬性连接)方法： 4一利用壤轮安装针钉} 5一零件叠故在另一有针钉的 零件上； 在缠绕过程分段嵌入针钉。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 l8卷第 4期 航 天 返 回 与 遥 感 39 头 l8倍。由此可见，这种复合材料新的连接方法与其他连接方法相比．其连接效率可大幅度提 高。 5．4 混合连接 将胶接连接和机械连接加以组合，可以排除两种连接方法各自的固有缺点 目前国外应 用最为广泛的是胶铆连接、胶一缝连接和胶一针钉连接，其主要内容简述如下。 a．胶铆连接 胶铆连接一般可采用两种工艺方法实现，一种是在胶层固化后铆接；另一种是在胶层未固 化时铆接。从装配劳动强度和设备的需用观点来看，在胶层未固化时铆接是可取的，因为装配 及涂胶工艺过程可以在装配夹具中进行．并且不需要热压罐一类较昂贵的设备。但从复合材 料构件胶接质量控制考虑，两种方法是不一样的。在铆接过程中会在胶膜与复合材料构件之 间引起复杂的现象，从而在胶层长度方向胶粘剂固化所需的压力不能均匀地分布。随着连接 构件的刚度、铆接力和胶层物理力学性能的不同，胶缝中的压力分布可能有很大的变化，因而 就改变了胶一铆接头的质量。 为了提高胶一铆接头的强度，最好在胶粘剂固化后再进行复合材料构件的铆接；而在胶层 未固化时铆接，应当分阶段对胶层施加所需压力，以减少胶铆接头连接强度的下降。 b．胶一缝连接和胶一针钉连接 缝合和针钉连接可有效地提高复合材料的连接效率。而采用胶一缝连接和胶一针钉连接 能显著显示出其独特的优点，在这种连接方法中．针钉分布在胶缝的最大应力集中处，即在搭 接的端头或加强垫片的边缘，连接接头处有柔韧的和刚硬的两种结合，从而能保证复台材料构 件的受力状态能很好地相互协调，同时也弥补了胶接剥离强度低的弱点，所以这种新的连接技 术是很有发展前景的。 6 结语 近年来高性能先进复合材料的研究工作取得较大进展．尤其在新型材料和成型工艺技术 诸方面有新的突破。然而，要构成有效的结构，仅有高性能先进复合材料是不够的，必须选择 合理的连接方法，将各种类型的复合材料零件连接成为一个完整的结构，才能充分发挥复合材 料的各种优异性能。 在构成复合材料完整结构时，最重要的是保证连接接头强度的可靠性，以便传递复台材料 结构所承受的全部载荷。因此，对各种复合材料连接的破坏模式分析和连接方法的选择，解决 复合材料连接工艺技术，对减轻复合材料结构件的重量，改善航天飞行器的性能，促进先进复 合材料在航天领域及民用工业应用具有重要意义， 笔者认为复台材料结构连接的主要难点，是在复合材料连接接头中的许用剪应力、许用挤 压应力和许用拉应力的选取不象在金属结构连接中那样容易处理。为了切实做好这项工作， 要求研究复合材料结构连接的设计、工艺和性能试验等人员相互帮助、密切配合、共同努力、认 真总结、切实做好复合材料连接技术研究和应用工作。与此同时，要在吸取国外复合材料连接 技术的成功经验前提下，结合我国国情．从实际出发进行全面规划，确定各种研究课题，有所创 新、有所突破、有所发展，为我国新一代航天产品应用各种先进的复合材料连接技术而努力，使 我国的先进复合材料连接技术有新的进展。 (下转第 16页) 维普资讯 http://www.cqvip.com