复合材料结构强度⑥ 连接强度分析
复合材料结构的短板往往不在母体，而在连接。层压板本身可以设计得很强，但一旦开孔、拧螺栓、涂胶，应力流被迫改道，失效模式立刻从纤维控制转向界面与孔边控制。这一章讨论的正是这个薄弱环节：如何把真实的复杂连接，拆成可以算、可以试、可以校核的受力模型。 连接强度分析的第一步不是套公式，而是判断这条连接属于哪一类受力模型。模型选对了，后面才是方法问题。 理想化的机械连接受力模型只有三种，任何实际连接都可以归入其中之一，也可以用工程方法、有限元细化计算或解析法求解。 ·多钉连接：旁路载荷不为零，外载等于钉载与旁路载荷之和； ·复杂连接：没有构成主方向的复杂受力情况，需按两种方式分解为简单受力情况。 厚板连接必须用含弯矩的一般受力模型，平面应力状态（弯矩取零）只是它的特例，却是工程上最重要的一种。模型中未画出剖面内的扭矩——对工程分析而言，扭矩可以近似化为弯矩效应处理。 对于特殊正交各向异性铺层0°/90°，不能用螺栓连接。 挤压应力 σ_br按钉载除以挤压面积定义，即 σ_br = P/(d·h)。多钉接头用钉距替代宽度后，即便破坏不再是挤压模式，强度仍习惯用挤压应力表达，这正是它被称为“当量挤压强度”的原因。因此试验图线上的挤压应力并不是材料意义上的挤压强度，把它当材料常数直接外推是连接分析中常见的误用。 几何参数的影响有明确的边界条件。想得到纯挤压强度，宽度W和端距e都必须超过某个最小值：宽度太大将发生挤坏，端距太小将发生剪坏。 除几何参数外，铺层形式、螺栓配合、夹紧力以及材料类型都有影响。 基础试验一般取按标准几何参数定义的双剪形式加载的单螺栓试样，以接头承受的最大拉伸载荷作为破坏载荷，再由破坏载荷定义应力。之所以用双剪，是出于成本与便利的考虑。 按标准几何参数加工单螺栓双剪试样，记录破坏载荷P； 由 σ_br = P/(d·h)得到该e/d、W/d组合下的当量挤压强度； 在e/d或W/d的多个取值上重复，得到参数曲线族； GRP层压板的挤压应力随e/d增大先快速上升，随后趋于平缓。不同材料与纤维体积分数的曲线位置差异明显：当量值较高的一条对应纤维体积分数约0.44的WR材料，中间一条对应WR/CSM 50/50、纤维体积分数约0.24，较低的一条对应纤维体积分数约0.19的CSM，且其曲线在d/h等于1的取值下明显偏低。曲线的平缓段才是纯挤压强度，陡升段反映的则是端距不足。 孔边应力集中把净截面推到极限，而拉脱失效则出现在垫圈压溃或紧固件拔出的一侧，属于紧固件与层压板共同控制的问题。 压缩时，孔边A、B两点本会互相靠近，填充物阻止其靠近并承受自身平衡力P_1，于是净截面只承受P_2 = P − P_1，净截面受力减小使含填充孔板的压缩强度明显提高，某些试验结果给出的提高幅度约为30%。P_1与填充物的刚度、孔径大小、层压板材料与铺层情况都有关。这种受力分解在形式上类似旁路载荷加钉载：填充物自身平衡受压，并不向外传递。若压缩时净截面是强度薄弱环节，含孔板的压缩强度可按开孔情况近似计算。 对于厚板，孔断面最大应力要在孔边应力集中与净截面应力之外再加入弯曲分量，并由“二次破坏”思路引入特征数 φ 对表面层应力做折减，因为取表面层会过分保守；弯曲分量通过弯矩、孔径与板厚平方描述，并配有试验修正系数，缺乏试验结果时只能近似取值。这类方法在正式使用前必须做测试修正。 胶接连接的强度表达与机械连接不同：单搭接存在偏心，附加弯矩不可忽略，工程上常用“当量剪切强度”——由接头破坏拉力除以胶接面积算出的等效剪切强度来表征胶接承载能力。 Hart-Smith方法对航空常用铺层非常有效，但当受载方向0°层百分比过大时计算精度非常差；减缩系数C由含孔（开孔或受载孔）强度试验确定，它不只是材料与铺层的函数，取值必须特别谨慎。 连接许用值不能用结构许用值简单替代。它与紧固件直径、端距、钉距、板宽、板厚、铺层与夹紧状态强耦合，必须以试验为基准按构型建立，机械连接与胶接的许用值要分别确定。 细节设计的落点可以概括为四条：几何参数守住最小值，铺层避开0°/90°这类不适配螺栓连接的特殊正交各向异性；紧固件尽量让各钉载荷分配均匀；胶接控制偏心与剥离；厚板连接纳入弯曲分量并按试验修正。连接应力分析的结果最终要回到许用值表格，而不是停在应力云图上。 这期的分享就到这里啦！如果内容对你有帮助，欢迎点赞、转发、收藏。你们的每一次鼓励，都是我持续输出的动力。感谢大家的支持，我们下期见！ #复合材料#连接强度#挤压强度#当量剪切强度#孔边应力集中#许用值#航空结构 【免责声明】本文系对《飞机复合材料结构强度分析》（陈业标、汪海、陈秀华编著，上海交通大学出版社，大飞机出版工程，2011年12月第1版，ISBN 978-7-313-07882-7）相关章节的解读与重新组织，非原书转载，仅供技术交流与学习参考；文中观点、数据与公式以原书为准。版权归原作者与出版社所有，所述观点为笔者对资料的个人理解与归纳，不代表原作立场；若认为引用不当或涉版权问题，请及时告知，我们将在核实后第一时间处理。感谢理解与支持！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2026-10-15
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