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碳纤维复合材料重载连接技术研究

罗海波1*,李欣2,何小辉1

1中国科学院光电研究院,北京,100094

2中山大学,航空航天学院,广州,510275

*通讯作者：E-mail：bobo@aoe.ac.cn

摘要本文提出了一种新的碳纤维缠绕复合材料圆管预埋含纵横凹槽钛合金连接技术。该连接

技术比传统胶接粘接连接承载能力提高了约7倍，且应用该连接技术的重载吊舱结构比已有金

属吊舱结构减重超过35%，复合材料圆管结构件的最大拉伸破坏载荷超过100kN，试验结果表明

新型连接结构具有优异的力学性能。该连接技术综合了机械连接，胶接连接和预埋连接的优势，

有效地将面内失效应力转化为法向挤压失效应力，这大大提高了结构的承载强度。

关键词：碳纤维复合材料；轻量化；关键连接技术

1引言

本文评估了含预埋钛合金接头的T700/TDE86碳纤维复合材料圆管在1mm/min加载速率下

的轴向拉伸承载能力，并进行了有限元模拟和试验对比验证。研究结果表明，该技术可实现碳纤

维复合材料轻量化[1,2]重载吊舱在浮空器[3]中的实际工程应用。

2试验研究

2.1试件准备

本文中，试样的制造过程如下：首先，将±30°碳丝缠绕在芯轴上作为试件的基轴，基轴的

长度为320mm，基轴上的缠绕厚度是1mm；其次，将基轴的两端插入钛合金接头中，并将[±30]、

[±45]和[90]纱线依次缠绕在含纵横凹槽的钛合金接头的外表面；在缠绕过程中，环氧树脂粘合剂

连续注入钛合金接头和纤维之间的接触面上，并且在围绕凹槽的圆周方向采用90°纱线勒紧；如

此循环往复，最后，制备得到含预埋钛合金接头的复合材料圆管试验件，最终得到的试验件外径

为31mm（图1）。

横截面

31

图1碳纤维圆管代表性试样

2.2试验方法

所有试样均在室温下进行测试，使用INSTRON8801万能电子试验机在准静态位移载荷条

件下进行拉伸测试。两根带有M16标准螺纹的高强度金属接头将复合材料圆管固定到试验机的

两端。根据ASTM标准D5868-95[4]，以1mm/min的十字头加载速率进行拉伸加载。另外，采用

数字相机记录试验过程中试件的渐渐失效过程。载荷和位移数据由试验机记录获取。

2.3试验结果和讨论

2.3.1失效形貌分析

图2展示了碳纤维丝缠绕复合材料圆管的最终破坏形貌。由图可知，钛合金接头被拔出约

3mm的长度。在钛合金接头纵横凹槽处也可以观察到撕裂的纤维束（图2（c））。凹槽和金属

接头外部的多个复合材料缠绕层与钛合金接头一起被拉出。在金属接头和缠绕层之间的接触面

上可以观察到损伤裂纹，这表明在拉伸过程中，接触界面的胶层出现了不同程度的损坏，但是根

据实验曲线可以判断，胶层的初始损伤对结构承载不是决定性的，接触面的法向剪切损伤对结构

的最终失效载荷影响比较显著。

(c)

(b)

(a)

图2复合材料圆管最终失效形貌

2.3.2载荷-位移曲线

图3展示了复合材料圆管的最终失效载荷-位移曲线。由图可知，曲线在初始拉伸阶段表现

出良好的线性特征。当载荷达到约25kN时，曲线的斜率开始下降。当载荷上升到约60kN时，

曲线斜率逐渐下降。载荷轻微下降现象也被观察到，同时伴随着试样端部较大的开裂和撕裂声。

随后，当拉伸平均位移达到2.6mm左右时，拉伸载荷增加到最大极限载荷，此时，钛合金接头

从圆管的一端拉出，表明试验件已经彻底失效，据测试统计分析表明，四个重复试验件的拉伸平

均破坏载荷超过80kN。

1mm/min

图3试验载荷-位移曲线

3有限元分析模型

3.1面内损伤模型

考虑到真实的生产工艺，纤维缠绕复合材料圆管可以分成许多正负角交织的缠绕层。为了简

化计算，本文将具有两个正负α角的缠绕层设定为单向复合层。因此，采用改进的二维Hashin

准则[5]来定义纤维和基体的损伤起始，考虑Ye准则[6]定义模型中的分层损伤。

3.2层间损伤模型

考虑到碳纤维丝缠绕到钛合金接头的纵横凹槽时，胶粘剂会填充到接触界面处。因此，本

文采用双线性牵引-分离准则来评估拉伸过程中的胶层损伤。有限元建模时，将近似零厚度

（0.01mm）的三维内聚力单元（COH3D8）定义在接触界面处。该模型由法向拉伸损伤??，剪切

损伤（??和??）三种损伤模式组成。拉伸应力??和位移??的线弹性本构关系如下：

??=

??

,(?=1,2,3)(1)

??

上式中，??代表不同方向的层间界面刚度系数。本文中，层间损伤模型可参考作者前期研究

工作[7]，这里不再赘述。

3.3有限元模型

本文采用ABAQUS软件建立全尺寸三维有限元模型。为了提高计算效率，在两个端部划分