碳纤维增强复合材料接头研究进展

       本文综合叙述了碳纤维增强复合材料接头的设计、成型工艺、强度分析、试验方法及其研究进展，重点介绍了碳纤维增强复合材料耳片接头的尺寸设计、铺层设计和承载设计，以模压法和三维编织法为例介绍了耳片接头的工艺流程，对用于接头强度分析的有限元法、解析法及其相关的强度理论进行了叙述，探讨了复合材料接头拉伸、弯曲和剪切的试验方法，指出了接头设计和试验中存在的问题和今后的研究方向。研究表明，碳纤维增强复合材料接头一般优先选择增强型层压式结构形式，三维编织呈厚度方向增强结构以及关于接头疲劳的研究是今后研究和发展的方向。

       先进复合材料因其高比强度、高比刚度、良好的抗疲劳性、材料铺层的可设计性等优异特
性，在航空航天飞行器的结构中得到曰益广泛地应用。在结构设计中，复合材料结构部件的发展方向是力求实现结构的整体性，不用或者少用连接，就可以明显减轻结构的质量和提高结构的效率。但是，由于当前技术水平的限制（例如热压罐尺寸、模具尺寸、材料和加工设备的限制等）以及结构设计、工艺、检验、运输和维修方面的需要，必须安排一定数量的设计和工艺分离面、维护口盖和多种外挂接口等。因此，在复合材料结构设计中，接头设计是必不可少的关键环节。

      在航空领域，最初复合材料是用在一些次要受力构件上，如飞机垂尾、方向舵、升降舵、口盖等。随着科学技术的发展，以及对飞机性能要求的提高，复合材料的应用逐渐增加，并且由次要受力构件转到主要受力构件，如机身、机翼甚至接头等。复合材料接头容易与主结构融为一体，实现整体结构，从而省掉大量的机械连接，进一步减轻结构质量，提高结构寿命。这使其很具有吸引力。1970～1980年代初，复合材料接头在国外进入使用阶段，如F-15飞机起落架后支撑杆采用复合材料，接头与撑杆融为一体；MBBB0-105直升机复合材料旋翼根部接头采用混杂复合材料；德国空客A-310、A-320飞机垂直安定面根部采用复合材料壁板外伸型接头，并与旋翼大梁融为一体；美国A-7飞机减速板铰链臂采用复合材料，并与大梁融为一体，作动筒支撑接头为独立接头，与蒙皮胶结在一起，机械连接在减速板梁上；荷兰福克公司的F28飞机减速板铰链臂用碳纤维复合材料制造并与梁融为一体，飞行试验件于1978年10月进入航线。在国内，复合材料接头研究起步于1990年代，主要有K8飞机减速板接头和运七飞机方向舵悬挂接头。这些接头都属于层压式接头，并与主结构融为一体。

       复合材料接头的研制是一个复杂且综合性很强的技术问题，要考虑以承载能力为主要指标的设计要求、结构形式、材料的品种和性能、疲劳寿命、试验及测试、制造工艺等一系列问题。围绕复合材料接头研制而开展其设计、试验和工艺技术及方法研究具有重要的理论和实际意义，现已成为复合材料及应用研究的一个重要方向和前沿。

       本文以具有典型代表性的碳纤维增强耳片式复合材料接头为例，介绍了复合材料接头的设
计、制造工艺、性能测试、力学分析方法及最新研究进展，并指出了目前复合材料接头研制中存在的问题和今后的发展方向。

资料下载：   碳纤维增强复合材料接头研究进展.pdf