在探究織造玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在不同制造工藝下的承載強(qiáng)度，并引入了一種新型的彈孔復(fù)合制造技術(shù)作為孔鉆工藝的替代方法。

通過(guò)比較這兩種制造工藝下復(fù)合接頭的軸承性能，研究人員試圖分析它們?cè)诓煌嚇訁?shù)下的性能差異。

引入了新型的彈孔復(fù)合制造技術(shù)，這種方法可以替代傳統(tǒng)的孔鉆工藝，這種新技術(shù)可能采用了一種類似于壓制或注塑的方法，將纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料制成所需形狀，并在特定位置創(chuàng)建孔洞，與傳統(tǒng)的孔鉆工藝相比，這種新技術(shù)可能具有更好的控制性能，可以更好地適應(yīng)復(fù)合材料的性質(zhì)。

為了比較新工藝和傳統(tǒng)孔鉆工藝制造的復(fù)合接頭的性能，研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，他們制備了不同幾何參數(shù)的試樣，包括邊緣距離、彈孔直徑比（E/D）以及寬度與彈孔直徑比（W/D），然后，他們對(duì)這些試樣進(jìn)行了承載強(qiáng)度測(cè)試，以研究其在受力下的表現(xiàn)。

采用新工藝制造的復(fù)合接頭相比通過(guò)傳統(tǒng)孔鉆工藝制造的接頭能夠承受更大的載荷，這表明新工藝可能具有更好的強(qiáng)度性能，可能是由于新工藝能夠更好地控制纖維的排列以及材料的成型過(guò)程，從而提高了復(fù)合材料的整體性能。

幾何參數(shù)對(duì)破壞模式、承載強(qiáng)度和持續(xù)載荷的大小具有重要影響，這意味著邊緣距離、彈孔直徑比（E/D）以及寬度與彈孔直徑比（W/D）等參數(shù)的選擇將直接影響復(fù)合接頭的性能，通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更好的承載性能和更可靠的復(fù)合接頭。

這項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)織造玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的不同制造工藝進(jìn)行比較，揭示了新型彈孔復(fù)合制造技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)，并指出了幾何參數(shù)對(duì)復(fù)合接頭性能的重要性，這些結(jié)果為復(fù)合材料制造領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了有價(jià)值的信息。

復(fù)合材料接頭連接技術(shù)的綜述與分析

接頭被認(rèn)為是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗鼈儽绕渌糠指菀装l(fā)生故障，這些接頭將復(fù)合材料層壓板連接在一起，有時(shí)用作電導(dǎo)體和熱導(dǎo)體、絕緣體、密封劑或減振器。

有兩種基本的連接技術(shù)：粘合劑和機(jī)械，這些方法通常獨(dú)立使用，但也可以組合起來(lái)以獲得特殊的好處，粘合接頭的主要問(wèn)題是粘合劑和復(fù)合樹(shù)脂之間的相容性，當(dāng)粘合劑和樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì)更接近時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)相容性，該技術(shù)需要在粘合前進(jìn)行表面處理，粘合完成后，應(yīng)將部件夾緊在一起，直到粘合劑固化。

另一方面，機(jī)械連接是通過(guò)在要連接的兩種材料中鉆孔，然后將機(jī)械緊固件穿過(guò)孔并將緊固件固定到位來(lái)完成的，緊固件的類型通常決定固定方法。

例如：螺栓用螺母固定，螺釘通過(guò)螺紋與被粘材料的相互作用固定，鉚釘通過(guò)鉚釘本身的頭部固定，銷釘通過(guò)與孔的簡(jiǎn)單過(guò)盈固定，所有這些固定方法都需要鉆孔，但鉆孔本身會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的承載能力降低。

例如，如果在鉆孔過(guò)程中沒(méi)有布置適當(dāng)?shù)谋骋r，分層是不可避免的，鉆孔過(guò)程將纖維切割成與孔一致，并且這些纖維在承載方面變得不活躍。

由于接頭處的應(yīng)力集中，它們是失效的主要來(lái)源，解決這個(gè)問(wèn)題的方法是通過(guò)增加纖維數(shù)量來(lái)過(guò)度構(gòu)建關(guān)節(jié)區(qū)域，這可以通過(guò)使用更多的復(fù)合材料、在接合區(qū)域添加額外的或更長(zhǎng)的纖維、或者通過(guò)使用非復(fù)合材料例如木條或金屬條進(jìn)行加固來(lái)實(shí)現(xiàn)，所有這些方法在提高接頭強(qiáng)度的同時(shí)都會(huì)影響復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性，研究了各種參數(shù)對(duì)復(fù)合材料接頭承載強(qiáng)度的影響。

樹(shù)脂特性對(duì)軸承響應(yīng)的影響

測(cè)試了兩種不同類型的基于聚合物基體的碳纖維增強(qiáng)塑料層壓板，他們得出的結(jié)論是，承載強(qiáng)度和失效模式取決于不同聚合物基層壓板的“韌性”，研究層壓板堆疊順序、幾何形狀和初始螺栓孔間隙對(duì)承載強(qiáng)度的影響，據(jù)報(bào)道，螺栓孔間隙應(yīng)**化，以實(shí)現(xiàn)接頭的**承載強(qiáng)度。

接頭幾何形狀對(duì)軸承強(qiáng)度的影響，據(jù)報(bào)道，測(cè)試樣本的幾何形狀對(duì)承載強(qiáng)度有顯著影響，研究了間隙和干涉對(duì)牽引力作用下的彈夾接頭失效方式、失效載荷和承載強(qiáng)度的影響。

結(jié)論是，銷與孔之間的間隙和干擾對(duì)機(jī)械緊固接頭的破壞載荷有重要影響，間隙或干涉安裝不改變失敗模式。

擰緊扭矩和墊圈外徑對(duì)軸承強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度有影響，研究了制造方法對(duì)單搭接接頭剪切強(qiáng)度的影響。

他們使用了四種不同的制造技術(shù)：無(wú)粘合劑共固化、使用附加粘合劑共固化、二次粘合以及共粘合以粘合碳環(huán)氧復(fù)合材料。

無(wú)粘合劑共固化接頭和二次粘合接頭比其他接頭表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度，研究了表面粗糙度等制造參數(shù)對(duì)粘合鋁單搭接接頭剪切強(qiáng)度的影響。

研究了五種不同的表面處理方法，重鉻酸鈉-硫酸蝕刻和磨料拋光可提高接頭剪切強(qiáng)度，研究了制造方法對(duì)粘合復(fù)合材料接頭強(qiáng)度的影響，粘合復(fù)合材料通過(guò)四種不同的制造方法制造。

對(duì)于每種方法，都檢查了不同的重疊長(zhǎng)度、粘附體厚度和鋪層圖案，二次粘合接頭比共粘合和粘合劑共固化接頭具有更高的強(qiáng)度，并且與非粘合劑共固化情況相比產(chǎn)生相似的強(qiáng)度。

堆疊順序的變化也會(huì)影響層間應(yīng)力和失效載荷，研究纖維轉(zhuǎn)向、基質(zhì)加勁和ZPIN厚度加固對(duì)層壓纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸承性能的影響，纖維轉(zhuǎn)向提高了軸承的承載強(qiáng)度，但其他兩種方法沒(méi)有產(chǎn)生顯著效果，鋁還利用纖維轉(zhuǎn)向技術(shù)來(lái)提高軸承的強(qiáng)度。

他們的結(jié)論是，復(fù)合的螺栓接頭在峰值載荷下被加強(qiáng)了169%，在改進(jìn)的指導(dǎo)模式下，軸承強(qiáng)度被加強(qiáng)了36%。

對(duì)兩種編織玻璃增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的承載強(qiáng)度進(jìn)行了比較，兩種復(fù)合材料均由真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型VARTM制造，**類孔是按慣例通過(guò)鉆井程序制造的，在第二種類型中，采用一種新的技術(shù)制造了孔，排除了鉆井工藝，研究結(jié)果表明，該新技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的初始峰值載荷和承載強(qiáng)度均有顯著改善。

制造和實(shí)驗(yàn)程序

本研究所用的復(fù)合材料是用平紋E玻璃織物六角力7500與319克/米制成的，重量和0.3毫米厚度，基質(zhì)材料為125Resin/229硬化劑層壓環(huán)氧樹(shù)脂，該復(fù)合材料在紐約市理工學(xué)院機(jī)械工程技術(shù)系的材料工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工和機(jī)械加工。

制造采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑VARTM，**種類型的孔是通過(guò)鉆孔制造的，鉆孔過(guò)程本身會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的承載能力有所下降，第二種復(fù)合材料的孔是在VARTM過(guò)程中制造的，本研究中使用的新技術(shù)消除了鉆孔過(guò)程。

顯示了中間有孔的復(fù)合材料，鉆孔過(guò)程以0°和90°與孔重合的方式切割一些光纖，一旦銷釘插入孔中并施加載荷，這些纖維就不再承擔(dān)載荷。

如果將針插入機(jī)織物的網(wǎng)之間，這些不活躍的纖維有助于承載，專用金屬模具在我們的研究中，設(shè)計(jì)并制造了帶有可移動(dòng)的別針，干燥的羊毛玻璃織物被堆疊在金屬模具上，纖維被操縱在別針周圍，在這一安排中，人們確信沒(méi)有任何纖維被損壞和切割。

然后采用瓦爾特程序?qū)@些織物進(jìn)行層壓，在層壓之前，用脫模劑給別針打上蠟，以便在層壓板凝固后去除，為了能夠防止任何真空袋材料的切割，別針的尖端在瓦爾特工藝之前被覆蓋，層壓板凝固后，用鉗子將別針移除。

為了防止孔內(nèi)有任何損壞，在移除過(guò)程中，別針沒(méi)有從側(cè)面撞擊，取而代之的是，它們是通過(guò)繞軸的圓周運(yùn)動(dòng)移除的，顯示層壓前金屬模具上的干燥織物，由于本研究考慮了四種不同的直徑，因此使用兩側(cè)帶有可拆卸銷的兩個(gè)模具來(lái)制造孔。

力-位移關(guān)系

顯示復(fù)合材料的力-移關(guān)系，其W/D比分別為4.23、3.39、2.82和2.37。盡管為清晰起見(jiàn)，測(cè)試了每一個(gè)W/D比率的四個(gè)E/D比率，但在每個(gè)數(shù)字中只比較了兩個(gè)E/D比率。

用新技術(shù)制造的復(fù)合接頭的力位移關(guān)系比鉆井制造的接頭承受更多的張力載荷，對(duì)4.23的W/D比率而言，最初部分的斜率幾乎相同，對(duì)5.3的E/D比率而言略有不同，對(duì)4.23的E/D比率而言。

該新技術(shù)使兩種E/D比的初始峰值荷載和最終荷載均有增加，顯示了w/d比為3.39的復(fù)合材料的力-位移關(guān)系，由于新技術(shù)，承載力的增加更加顯著，雖然初始斜率幾乎相同，但在初始峰值載荷和極限載荷上觀察到顯著差異。

顯示了w/d比為2.82、2.37的復(fù)合材料的力-位移關(guān)系，在這兩個(gè)結(jié)果中，新技術(shù)引起了較小的初始坡度差異以及初始峰值和極限載荷的增加。

在開(kāi)始的線性增加之后，通常會(huì)觀察到力量置換史的下降，這些滴滴是復(fù)合材料中的**個(gè)損傷啟動(dòng)，一旦最初的峰值力的大小和引起**次下降的位移被知道，復(fù)合材料只能裝到這個(gè)水平。

在一些敏感的應(yīng)用中，在不造成**變形的情況下停留在彈性區(qū)域可能是必要的，初始峰值力可被認(rèn)為是壓線復(fù)合材料的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，本研究采用的新技術(shù)對(duì)初始峰值荷載有了顯著的改善。

顯示初始峰值負(fù)載的比較，對(duì)于所有幾何形狀，新技術(shù)顯著改善了初始峰值負(fù)載，w/d比率為4.23、3.39、2.82和2.37時(shí)，平均增幅分別為32%、42%、39%和35%，由于不同的e/d比，還觀察到初始峰值負(fù)載增加時(shí)的微小變化。

松形荷載復(fù)合材料的承載力定義為：σb=P/Dt如解釋P、D及T分別為試樣的拉伸載荷、孔徑及厚度，在一些研究中，作為一種替代設(shè)計(jì)參數(shù)，軸承強(qiáng)度也被計(jì)算為孔直徑4%變形時(shí)的應(yīng)力顯示所有幾何形狀的軸承強(qiáng)度比較，這項(xiàng)新技術(shù)使所有測(cè)試幾何形狀的承載強(qiáng)度顯著增加，當(dāng)w/d比為4.23、3.39、2.82和2.37時(shí)，平均承載強(qiáng)度分別增加12%、25%、28%和24%。

故障模式

當(dāng)機(jī)械接頭暴露于拉伸載荷時(shí)，觀察到四種類型的破壞模式，分裂，軸承，剪切，網(wǎng)張力，這四種失敗類型的組合也是可能的，對(duì)于4.23和3.39的W/D比率，具有制成孔的復(fù)合材料顯示了所有E/D比率的軸承失效模式。

另一方面，具有鉆孔的復(fù)合材料造成了所有E/D比率的軸承失效模式，但12.12和1.69除外。這些E/D比率導(dǎo)致切出故障模式。

對(duì)于2.80和2.37的w/d比，所有帶有加工孔的復(fù)合材料都表現(xiàn)出凈張力破壞模式，在帶鉆孔的復(fù)合材料上觀察了凈張力、軸承和組合失效模式，帶有人造孔的復(fù)合材料沒(méi)有表現(xiàn)出剪切和組合失效模式。

這可以用以下事實(shí)來(lái)解釋：在本研究中使用的新技術(shù)增加了負(fù)載方向上的承載纖維的數(shù)量，剪切破壞的發(fā)生變得更加困難，在帶鉆孔的復(fù)合材料上觀察到的組合失效模式是剪切失效和凈張力失效的組合，由于在帶有制造孔的復(fù)合材料上沒(méi)有觀察到剪切破壞，因此也沒(méi)有觀察到組合破壞模式。

結(jié)論

提出了一種新的制造工藝，作為復(fù)合接頭孔鉆工藝的替代方法，比較了經(jīng)鉆孔和制成孔復(fù)合材料的承載性能。

新技術(shù)使初始峰值載荷和承載強(qiáng)度分別提高了32-42%和12-28%，在制造孔復(fù)合材料上沒(méi)有觀察到剪切和組合失效模式，一種新技術(shù)對(duì)各種幾何形狀的復(fù)合材料的承載力有了很大的提高，幾何參數(shù)有效地改變了這些改進(jìn)的水平。

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