品

CFRP 复合材料铆接搭接接头的静疲劳强度及失效机制

扬·戈齐米尔斯基，马雷克·罗斯科维奇

军事技术大学机电一体化、武器与航空航天学院，00-908华沙，波兰

*对应关系：michal.jasztal@wat.edu.pl

摘要：这项工作的背景是寻找连接复合材料的最有效方法，特别是在航空应用中。本研究的目的是分析机械紧固件类型对复合材料元件搭接接头静态强度的影响，以及紧固件对此类接头在疲劳载荷下失效机制的影响。第二个目标是检查这种接头的杂化（包括用粘合接头补充它们）在多大程度上影响它们的强度和这种受力接头的失效机制疲劳。使用计算机断层扫描技术观察到复合关节的损伤。本研究中使用的紧固件（铝铆钉、Hi-lok 和 Jo-Bolt）不仅在制造材料方面有所不同，而且在施加在连接件上的压力也不同部件。最后，为了检查部分开裂的粘合接头如何影响紧固件上的负载，进行了数值计算。分析研究结果，发现混合接头的粘合接头的部分损伤不会增加铆钉的负载，不会影响接头的疲劳寿命。混合接头的一个重要优点是连接的两阶段破坏，这大大提高了飞机结构的安全性，并促进了监督其技术状况的过程。

关键词：铆接和混合接头;静态强度;疲劳寿命;失效机制

引自：Godzimirski， J.;罗斯科维奇，M.;贾斯塔尔，M.;Barca， I. CFRP 复合材料铆接搭接接头的静态和疲劳强度和失效机制。材料 202316,

编号 1768.https://doi.org/10.3390/ ma16051768

学术编辑：KarimBenzarti

收稿日期：2023-02-1

修回日期：2023 年 2 月 15 日

接受日期：2023-02-17

发布日期：2023 年 2 月 21日

版权所有：©2023作者所有。被许可方MDPI，巴塞尔，瑞士。本文是根据知识共享署名 （CC BY） 许可证 （https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/） 的条款和条件分发的开放获取文章。

介绍

近年来，复合材料（如 CFRP-碳纤维增强聚合物）在机械工程中的使用有所增加，包括当前制造的飞机的设计。这是因为复合材料的显着优势，包括但不限于与多年来一直主导飞机设计的铝合金相比，它们的密度较低。复合材料的一个重要优势还在于其非常高的疲劳寿命[1–6]。

与机械工程中使用复合材料（如CFRP）相关的问题是，与结构金属相比，它们对表面压力的抵抗力较低[7–9]，这就是为什么仍在寻找最有效方法来组装复合材料部件的原因。复合材料部件通过胶粘剂粘接、机械粘接或在混合（胶粘剂-机械）接头中使用这两种技术进行连接。机械或混合接头是连接航空结构中复合材料元件的推荐技术，因为这种类型的接头的诊断敏感性要高得多。与胶粘剂相比，疲劳寿命明显更高，在航空设计中此类解决方案的认证过程更容易，并且在机械接头的情况下，可以选择拆卸紧固件 [10–12]。

在机械节点的设计中，紧固件在结构节点中放置的几何形状是一个重要的装配因素。在连接复合零件时，与紧固件放置几何形状（安装孔设计方案）相关的装配建议比金属零件更加严格，因为复合材料的有限表面耐压性[13]。因超出其表面而对复合材料造成的损坏

材料2023， 16， 1768.https://doi.org/10.3390/ma16051768https://www.mdpi.com/journal/materials

压力强度表现为浸渍剂在复合层水平上“支撑”的纤维屈曲，胶粘剂在纤维界面处的剪切，以及从基体中释放的纤维的破坏[14–16]。

复合材料的层状结构和复合材料材料的各向异性特性进一步加剧了复合材料部件的装配问题[17]。因此，在复合材料的情况下，安装孔的执行本身就成为一个重要的研究问题，大量研究表明，其强度 机械接头取决于许多因素，包括但不限于钻孔过程或安装间隙过大（孔和紧固件配合）造成的损坏[18]–21]。此外，我们可以在文献 [2223] 中找到关于层数、方向、纤维增强聚合物材料和接头几何形状对FRP 改造的管状 X 连接应力集中因子的影响的工作。 本文利用有限单元模型与实验数据验证。

复合材料对表面压力的抵抗力有限的问题可以通过使用混合（机械-粘合剂）接头来解决，其中粘合剂层在接头重叠的末端（安装孔的区域）受力最大，显著降低了紧固件芯轴对复合材料孔表面的压力，或者，看起来，通过有效利用安装孔区域中连接元件之间发生的摩擦现象[24]。

根据文献数据，已知在机械关节中，在连接元件之间传递载荷时，也会考虑摩擦现象[2526]。在承受循环载荷的金属部件中，安装孔附近的摩擦力值增加，这是由于连接元件的配合面磨损和磨损产物的数量等因素造成的。

在由机械紧固件连接的复合材料部件中，载荷也部分由摩擦力传递[27–29]，出版物中提供的数据也表明与摩擦增加相关的规律性使用复合马和机械紧固件的接头疲劳试验中的系数[30]。此外，一些作者[28]认为，增加循环载荷接头中摩擦系数的效果可能会补偿装配夹紧的损失，这是复合材料以及机械紧固件装配区域中连接零部件的几何尺寸的变化。

摩擦力的积极影响可以通过增加安装压力的反作用场来加剧。因此，许多出版物介绍了使用带有机械紧固件和垫圈的复合材料的接头性能 [31]。机械垫圈对接头性能的影响效果取决于垫圈的几何形状，这与组件压力的作用场的大小直接相关[29,31]。

本文的论点是，在复合材料的机械连接的情况下，夹紧力也参与载荷传递，将对降低紧固件柄和复合材料之间产生的表面压力产生积极影响，从而延长接头的疲劳寿命。因此，使用产生更高夹紧力的机械紧固件应防止复合材料在安装孔区域的降解，从而对接头的疲劳寿命产生积极影响 [3233]。

因此，本研究旨在确定机械紧固件类型（夹紧力的影响）对CFRP机械接头的负载能力、疲劳寿命和失效机制的影响复合零件。此外，决定评估这种接头的杂化（包括用粘合接头补充）在多大程度上影响它们的静态强度和这种疲劳接头的失效机制。该研究的一个关键目标是确定疲劳加载复合材料部件的机械和混合接头的退化机制，

使用计算机断层扫描技术，这是观察复合材料疲劳失效的更有效方法之一 [34： 35]。最后，为了检查部分开裂的粘合接头如何影响紧固件上的负载，进行了数值计算。 这项工作的创新和研究意义在于其成果可以直接用于机械和使用上述航空用紧固件的混合连接。这项工作的一个重要组成部分是展示部分损坏的混合连接的重要剩余负载能力。

研究对象

实验研究中使用了使用 WaterJet 技术从复合材料上切割的部件。CFRP（碳纤维增强聚合物）型复合材料采用高压釜技术制成，由七层 DF285 型预浸料制成，这些预浸料按照方案 [45◦， 0◦， 45◦， 45◦， 0◦] 排列。复合材料固化条件如下：以 2 C/min 的梯度加热至 120 °C，在 120 °C 下退火 90 分钟，以 2 °C/min 的梯度冷却至 40 °C。以尺寸为 100 mm 长、25 mm 宽和 2.2 mm 厚的切割件为基片制备搭接长度为 50 mm 的单搭接接头。以下机械紧固件用于连接元件：3560A铝合金铆钉（直径4mm），Hi-lokHL1012 系列（直径4.12mm）-钛合金紧固件，具有铝套环和单侧 Jo-Bolt 紧固件（直径 4.12 mm 的钛钢）——图 1[3637]。

图1.用于准备接头的紧固件。

直径为 4.1mm的试样上的安装孔位于待连接部件宽度的一半处，并且与凸耳边缘保持一定距离等于安装紧固件的两个直径。 实验研究中使用的连接图如图 2 所示.

图2.实验研究中复合材料的连接图。

本研究中使用的紧固件不仅在制造材料方面有所不同，而且在它们施加在连接件上的压力方面也有所不同安装孔附近的零件。使用 CT 扫描仪对孔附近组合元件的厚度进行测量，结果表明，在用 Jo-Bolt 紧固件组装元件后，最高压力出现。测量结果显示，紧固件位置的试样厚度减少，Hi-lok 紧固件的平均厚度为 1.6%，Jo-Bolt 紧固件的平均厚度为 3.1%——图 3.

图3.安装孔附近接缝的说明性断层照片：（a）使用Hi-lok紧固件;

（b） 使用Jo-Bolt紧固件。

变形 ε = 0.016 时，Hi-lok 紧固件引起的压力顺序如下：

σ = ε × E = 0.016 × 7000 = 112 MPa

其中：σ - 压缩应力，ε - 变形，E = 7000 MPa -复合材料在垂直于织物层的方向上的纵向弹性模量值。然而，在变形ε=0.031 时，Jo-Bolt紧固件引起的压力为：

σ = ε × E = 0.031 × 7000 = 217 MPa

了解直接压在复合材料上的紧固件元件的表面，可以估计紧固件引起的压力：

F_Hi−Lok=σ×A≈112×30≈3360 N _{F Jo−Bolt}=σ×A≈217×18≈3906N

其中：σ - 压缩应力和A -直接压紧紧固件头下的表面积

在复合上。

除了上述机械紧固件外，还使用了质量比为 10：1 的 Epidian 57/Z1 胶粘剂 （Ciech Sarzyna S.A.） 与 Z1 固化剂混合制成混合（机械胶粘剂）接头。混合接头中的机械紧固件与机械接头的安装方式相同，即靠近粘合接头的重叠端，这意味着它们安装在粘合接头受力最大的区域。按照制造商的建议，胶粘剂分两个阶段固化，即室温下 24 小时和 80 °C 下 8 小时。粘合剂的固化过程发生在安装机械紧固件之后。为了将胶粘剂的厚度保持在 0.1 mm，将间隔螺纹插入接头中。CFRP 元件的表面是通过用丙酮清洗、用无纺布磨料打磨，然后再次用丙酮清洗来制备的。

研究方法

在实验测试的第一阶段，确定了机械和混合接头的静态容量。关节的负载能力值被用来定义疲劳（耐久性）测试期间的负载。MTS809轴向/扭转试验机用于静态和疲劳试验。使用三个关节试样评估机械和混合关节的承载能力。以 2mm/min 的速率进行静态测试，在 20Hz 频率的可变负载范围内进行耐久性测试，在规定数量的疲劳循环后，通过计算机断层扫描测试连接，以评估接头的失效程度。

静态测试的结果

在三次测试中确定的带有 3560 A 铝合金铆钉的变体的机械接头的负载能力等于：6.68 kN、6.83 kN 和 6.68 kN（平均值 -6.73 kN）;对于带有 Jo-Bolt 紧固件的变体：9.30 kN、9.69 kN 和 9.78 kN（平均值-9.59kN）;对于带Hi-lok紧固件的变型：10.98kN、10.10kN 和

10.25 kN（平均值 - 10.44 kN）。图 4显示了机械接头的拉伸曲线示例。

图4.机械接头的拉伸曲线。

铆钉混合接头的承载能力分别为14.80kN、14.30kN 和14.50kN（平均值14.53kN）。使用Hi-lok紧固件时，分别为14.07kN、14.20kN 和 14.40 kN（平均值 -14.22 kN），使用 Jo-Bolt 紧固件时，分别为 15.31 kN、15.05 kN 和

15.40kN（平均值-15.25kN）。图5显示了混合接头的拉伸曲线。

图5.混合接头的拉伸曲线。

使用Jo-Bolt和Hi-lok紧固件的接头的承载能力明显高于使用铆钉的接头。根据所使用的紧固件，还观察到各种形式的接头破坏。3560 A 铆钉接头的破坏是由于铆钉剪切造成的，而 Hi-lok 和 Jo-Bolt 紧固件的接头是由于复合材料的表面压力和剪切而发生的——图 6.

图6.机械接头的破坏形式：（a）用铆钉，（b）用Hi-lok紧固件，（c）用 Jo-Bolt 紧固件。

3560A铆钉的剪切强度为：

R_t = F = 2 × 6730 = 268 MPa

π × 42

反过来，3560A铆钉的表面压力为：

p = F= 6730= 382 MPa （1）

2 × g × d 2 × 2.2 × 4

其中：d—铆钉直径（锻造铆钉）和g—复合板的厚度。

以上计算的表面压力没有对复合元件中的孔表面造成明显的损坏，因此可以认为它们是可以接受的。使用 Jo-Bolt 紧固件的复合材料破坏压力为：

p = F= 9590= 532 MPa （2）

2 × g × d 2 × 2.2 × 4.1

同样，使用Hi-lok紧固件时的复合失效压力为：

p = F= 10,440= 579 MPa （3）

2 × g × d 2 × 2.2 × 4.1

混合接头的销毁分两个阶段进行——首先，所有测试接头的粘合接头在相似的载荷下被破坏，然后机械接头在与以下两种情况下的载荷相似的载荷下被破坏机械接头在不使用粘合剂层的情况下被破坏。使用混合动力使铆接接头的负载能力提高了 116%，Jo-Bolt 增加了 16%，Hi-lok 增加了 14%。

疲劳测试

测试条件

在机械接头的疲劳试验中，假设每个周期的最大载荷约为紧固件承载能力的80%，这意味着

铆接接头为 5.5 kN，Hi-lok 和 Jo-bolt 紧固件值为 8 kN。 每个循环的最大载荷值高是由于 CFRP复合材料具有极长的疲劳寿命。

在具有 Hi-lok 和 Jo-Bolt 接头的混合接头中，每个周期的最大载荷降低到接头载荷能力的70% 左右，在混合接头的载荷能力要高得多的情况下，这仍然意味着每个周期的最大载荷为10kN（比机械接头高 2kN）。对于采用铆钉的混合接头的疲劳试验，循环载荷值与带有铆钉的机械接头相同。这意味着，除其他外，由于与机械接头相比，混合接头的负载能力要高得多，因此每个周期的最大载荷等于混合接头负载能力的 38% 左右。 在铆接混合接头的情况下，放弃了假设最大循环载荷约为70% 的原则，因为在带有铆钉的机械接头中，它是疲劳失效的机械紧固件（铆钉）。因此，可以预期，在带有铆钉的混合接头的情况下，以 70% 的载荷对它们施加应力可能会导致接头快速失效（通过铆钉破坏）。表1显示了疲劳测试中使用的载荷值。

表1.疲劳试验中关节的载荷值。

根据表 2和表 3 中的图表，在接头的安装孔区域分析了接受疲劳测试的接头的断层扫描.

表2.机械关节断层扫描测试图。

表2.续。

HZ2 5 ÷ 8

JZ2 5 ÷ 8

不。循环次数

/T/-断层扫描

0/吨/

1.5 米/吨/

4.5 米/吨/

7.5 米/吨/

12米/吨/

0/吨/

4.5 米/吨/

9米/吨/

12米/吨/

0/吨/

1.5 米/吨/

0/吨/

1.5 米/吨/

4.5 米/吨/

乔-博尔特

JZ3 5 ÷ 8

7.5 米/吨/

12米/吨/

4.5 米/吨/

9米/吨/

12米/吨/

合金3560A

疲劳测试结果

如前所述，在安装孔区域分析了经受疲劳测试的接头的断层照片。对断层扫描的初步分析已经表明，由于表面压力，机械接头在安装孔区域存在接头破坏的问题。这在使用铆钉的接头中并不明显，因为这些类型的接头的疲劳试验的载荷比测试带有 Hi-lok 或 Jo-Bolt 紧固件的接头时低得多，并且铆钉被剪断。在使用Hi-lok和Jo-Bolt紧固件的机械接头的情况下，载荷更高，因此出现了表面压力问题。除其他外，观察到安装孔的椭圆化和紧固件本身的角位移（它们的旋转）。

在混合接头中没有紧固件旋转问题，但存在胶粘剂疲劳开裂的问题。机械关节和混合关节的说明性断层扫描如图 7 所示.

图7. 机械接头的断层扫描：（a）带铆钉，（b）带Hi-Lok紧固件，（c） 带Jo-Bolt 紧固件和混合接头：（d） 带 Hi-Lok 紧固件，（e） 带 Jo-Bolt 紧固件。

机械接头 - 铆钉3560A 的疲劳测试结果

铆接机械接头样品由于铆钉的疲劳破坏而失效。标记为 NZ2 的样品在 1,831,415 次循环后被销毁，而标记为 NZ1 的样品在150万次循环后进行断层扫描测试。该测试检测到铆钉中的疲劳裂纹，而复合材料没有损坏。如您所见，在这种情况下，连接最薄弱的元件是铆钉在低于疲劳载荷时失效，该疲劳载荷是由于铆钉孔中的表面压力而对复合材料造成损坏。样品 NZ1 的断层扫描如图 8 所示.

图8.疲劳测试（1.5m周期）后铆接机械接头的断层照片。

机械接头 - Hi-Lok紧固件的疲劳测试结果

与铆接机械接头不同，在使用Hi-lok紧固件的接头中，没有观察到紧固件本身的损坏，其强度比普通铆钉大得多。但是，安装孔附近的连接部件有损坏。损坏主要包括孔的椭圆化，此外还包括裂缝和局部分层。一些损坏发生在紧固件组件的正下方，在对接头的外部目视评估中是不可见的。图 9 显示了使用 Hi-lok 紧固件进行疲劳测试（1.5 m 循环）后机械接头的失效特征示例 .

图9.疲劳试验（1.5m循环）后Hi-lok紧固件机械接头的损坏示例，表现为：（a） 分层，（b） 椭圆化和裂纹，（c）分层和所谓的空隙。

1.5m、4.5m、7.5m 和12m循环后节理的计算机断层扫描显示，随着循环次数的增加，安装孔的椭圆化程度增加，即 孔的侧面和机械紧固件销之间的边界处出现表面压力的结果。孔椭圆化的增加也导致了

增加安装孔中机械紧固件的角度偏转（旋转）。观察到的变化如图 9 所示，而图 10显示了使用 Hi-lok 紧固件和 Jo-Bolt 紧固件的机械接头的孔椭圆化变化的平均值。与Jo-Bolt 相比，Hi-lok紧固件的椭圆孔更大，这是因为Hi-lok紧固件的头部直径较小，一侧的轴环由铝制成，而 Jo-Bolt 紧固件是钛和钢结构。

图 10.疲劳试验后，使用 Hi-lok 紧固件的机械接头安装孔椭圆化的示例性变化：（a） 1.5m循环后，（b） 4.5m循环后，（c） 7.5m循环后，（d）12 M 循环后。

机械接头 - Jo-Bolt紧固件的疲劳测试结果

在使用Jo-Bolt紧固件的机械接头的情况下，孔的椭圆化度大约低两倍（参见图 11），此外，在安装孔附近没有观察到 CFRP 材料分层或裂纹形式的损坏（图 12）。

图11.随着疲劳循环次数的增加，Hi-lok和Jo-Bolt紧固件的机械接头中的安装孔椭圆化增加。

图 12. 疲劳试验后，在安装孔附近使用 Jo-Bolt 型紧固件的机械接头的说明性断层照片：（a） 1.5 m 循环后，（b） 4.5 m 循环后，（c） 7.5 m 循环后，（d） 12 m 循环后。

综上所述，疲劳试验后机械接头的失效特性见表 4.

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表4.疲劳测试后机械接头的失效特性。

样品的状态

紧固件类型 样品编号 循环内的载荷范围 [kN]

不。 循环次数

JZ35-8

4.5米/吨/X

9米/吨/X

12米/吨/XX

混合接头的疲劳测试结果- 3560A铆钉紧固件

在使用 3560A 铆钉和 Epidian 57/Z1 粘合剂制备的混合接头中，没有观察到接头完全破坏，就像机械接头一样。经过 300 万次循环后，粘合接头的外边缘出现了部分开裂，但即使在 1200 万次循环之后，接头也没有进一步恶化的迹象。但是，请注意，在本研究中，最大循环负载大约等于混合连接容量的38%。接缝外缘的粘合接头部分开裂是由于搭接接头中的二次弯曲作用。图13 显示了在 1.5 至 12 m 循环范围内的疲劳测试后，安装孔区域中混合接头的断层扫描示例。

图13.疲劳试验后安装孔附近带有铆钉的混合接头的说明性断层照片：

（a）1.5m循环后，（b）4.5m循环后，（c）7.5m 循环后，（d） 12m循环后。

混合接头 Hi-Lok和Jo-Bolt紧固件的疲劳测试结果

使用Hi-lok/胶粘剂和Jo-Bolt胶粘剂混合的试样，在承受 12 m 疲劳循环后，接头没有出现椭圆化或偏斜。 紧固件的结构也没有受到影响。样品中唯一可见的缺陷是粘合部件末端的粘合开裂。接缝外缘的粘合接头部分开裂是由于搭接接头中的二次弯曲作用。图 14 显示了混合 Hi-lok/粘合接头连续疲劳循环后拍摄的断层照片 .

图14.疲劳试验后安装孔附近带有铆钉的混合接头的说明性断层照片：

（a）1.5m循环后，（b）4.5m循环后，（c）7.5m 循环后，（d） 12m循环后。

实验研究结果讨论

在测试的搭接接头中，紧固件和粘合接头受到剪切应力，由于二次弯矩的影响，机械紧固件的头部和粘合接头被撕裂。在铆接接头的静态测试中，铆钉在孔壁上的压力下被剪切，没有对这些孔造成任何明显的损坏。根据测试结果，可以得出结论，380 MPa 的压力可以被认为是被测复合材料可以接受的。在最大载荷值为破坏载荷的86% 水平的疲劳试验中，铆钉头发生了疲劳撕裂。在这些测试中，带孔的横截面中的最大标称应力水平约为 105 MPa，没有发现复合材料的明显损坏。

对 Jo-Bolt 和 Hi-lok 紧固件连接的断层图分析表明，这些紧固件对连接的元件施加头部和螺母的高压。因此，这些元件之间存在摩擦力，这些元件涉及载荷的传递。由于这些连接器的柄部由高强度材料制成，因此它们不会变质，并且在 530 MPa 的压力下，它们会破坏连接的复合元件。

在使用Jo-Bolt和Hi-lok连接器的机械接头的疲劳试验中，带孔的横截面的最大标称应力约为 152 MPa。施加的载荷可能大于摩擦力，这导致紧固件的柄循环压在孔上，导致其椭圆化，并破坏

孔的边缘。这导致连接的单元彼此相对移动，并且紧固件发生歪斜。

机械接头的应用杂化，包括向它们添加粘合接头，导致它们的临时强度显着增加，在铆接接头的情况下最大。破坏这些连接的两阶段性质是典型的，它显着提高了飞机结构的安全性，并促进了监督其技术状况的过程。所有测试的混合接头的强度都相似（Jo-Bolt 仅高出 5%），这是由粘合接头的强度引起的。使用的机械紧固件显着加强了粘合连接。

在铆钉-粘接混合连接的疲劳试验中，采用与铆接连接相同的疲劳载荷循环。经过 300 万次循环后，粘合接头的外边缘出现了部分开裂，但即使在 1200 万次循环后，接头也没有进一步恶化的迹象。

带有 Hi-lok 和 Jo-Bolt 紧固件的混合接头承受疲劳循环，其中最大载荷比机械连接测试中使用的载荷高25%。经过300 万次循环后，在粘合接头中发现裂纹;然而，即使经过 1200 万次循环，也没有发生进一步的损坏。接头中的裂纹发生在连接边孔的截面上。保持机械紧固件孔之间粘合接头的连续性可以防止接头的进一步疲劳损伤。

数值计算

在铆钉-胶粘剂混合连接的疲劳试验中，胶粘剂接头的外边缘出现部分开裂，但经过数百万次循环，接头没有进一步恶化的迹象。因此，作者检查了粘合接头中的部分裂纹是否会导致机械紧固件的显着负载。对接头未受损且连接边缘有 6.7mm长裂纹的 Hi-lok 紧固件的混合连接进行了比较数值计算。在 CAE Ansys Workbench 2021 R2 程序中使用静态结构模块进行数值计算。接头承受疲劳测试中使用的最大力 （10 kN），通过使用力值为 3500 N 的“螺栓预紧力”函数声明初始载荷来模拟来自紧固件头部的压力。

紧固件被赋予钛的线性弹性特性、Epidian 57 的粘合双线性特性以及碳-环氧树脂复合材料的正交各向异性特性的复合元件（表 5和 6）。

[GPa]

合金 57

表6. 正交各向异性碳层压板的材料常数。

杨氏模量[GPa]泊松比[-]基尔霍夫模量[GPa]

搭接接头模型（图15）由两块尺寸为25×100×2.2mm（宽 × 长 × 厚）的板组成，通过两个紧固件连接地-

4.1毫米的米，第一个型号具有粘合接头测量

50×25×0.12毫米（未损坏），而在第二个型号中，它的测量值为

36.6×25×0.12毫米（损坏）。

图15.GeometryAnsys模块中的搭接关节模型。

在紧固件和粘合接头以及连接的板之间定义了摩擦系数为 0.1 的摩擦接触的存在。已定义粘合接头和连接板之间的粘合接触。对于大多数模型，网格单元的侧面尺寸为2mm，而在孔附近，网格集中（图16）。在对几何结构进行离散化后，得到了一个由12,062 个 Hex20单元（具有 20 个节点的非线性六边形）和 63,504 个节点组成的模型。

图16.样品的离散化数值模型。

使用固定支撑功能约束样品的一端（所有六个自由度均被去除 （D_XD_YD_Z= 0;R_XR_YR_Z= 0）使用功能RemoteDisplacement on the direction of X axis 对样品的另一端进行约束，并被剥夺了能够向各个方向旋转。还赋予它在 Z 方向上的位移 2,2 mm，这对应于一个连接板的厚度（D_X=0，D _Z=2.2 mm;R_XR_YR_Z=0）使用 Ansys-Bolt 预紧力功能以 3500 N 的力预紧铆钉。这对应于紧固件夹紧连接板的力。 将 10,000 N 的样品拉伸载荷分配给样品的右端（图 17）。

图 17.模型的边界条件（A-约束，B-载荷，紧固件中的 C 和 D 预载荷，E-位移/约束）。

计算并比较了垂直于导致剥离的粘合接头表面的法向应力值：50 mm 长（未损坏）和 33.6 mm 长（损坏）的粘合接头——图 18和 19.

图18.50mm长的粘合接头中Z方向的法向应力图。

图19.长度为33.6 mm 的粘合接头中Z方向的法向应力图。

计算表明，在较短的粘合接头中引起剥落的应力显著降低（约40%），这表明可以抑制接头破坏的过程。 图20和21比较了未损坏连接的机械紧固件中的剪切应力和边缘有建模裂纹的连接

粘接接头。

计算表明，混合接头的粘合接头的部分损坏不会增加铆钉上的负载。

图20.未损坏节点的紧固件中的剪应力图。

图21.螺栓连接中的剪切应力图，用于粘合接头边缘的建模裂纹。

结论

Hi-lok 和 Jo-Bolt 紧固件，由于制造它们的材料以及压缩连接元件的相对较高的夹紧力，与由铝合金制成的普通实心铆钉相比，复合元件的连接强度更高。

进行的测试表明，测试中使用的碳复合材料的特点是机械紧固件产生的压力阻力至少为380静载荷下的 MPa。

复合材料元件机械连接的疲劳损伤可能包括低强度紧固件的破坏或复合材料的分层破坏、孔边缘的碎裂、它们的椭圆化和紧固件的歪斜。机械连接的混合，通过向它们添加粘合连接，

与强度较低的连接相比，它们的静态强度更大。

关节杂交的最大好处与它们的疲劳寿命有关。该论文的重要发现是，由于剥离而引起的边缘粘合接头的部分破坏不会导致整个负载由机械紧固件转移。如果紧固件之间未损坏的粘合接头长度合适，则可有效防止被连接元件相互相对移动，转移部分载荷，并降低机械紧固件对孔的压力，从而有效增加连接的疲劳寿命。混合连接的两阶段破坏显着提高了飞机结构的安全性，并促进了监督其技术状况的过程。

作者贡献：概念化，M.R.，J.G. 和 M.J.;方法论，M.R.，J.G. 和 M.J.;软件，I.B. 和 J.G.;验证，M.R. 和 J.G.;形式分析，M.J.;调查，M.R.，J.G. 和 M.J.;资源，M.R.;数据管理，M.R.，J.G.和MJ;写作—原始草稿准备，M.R.，

M.J. 和 J.G.;写作——审查和编辑，J.G. 和 M.J.;可视化，M.R.、M.J. 和 I.B.;监督，M.R.;项目管理。所有作者均已阅读并同意手稿的已发表版本。

资金： 这项工作由军事技术大学在研究项目 UGB 823/2023 下资助。

机构审查委员会声明：不适用。

知情同意书： 不适用。

数据可用性声明：不适用。

利益冲突：作者声明没有利益冲突。

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