усилий (особенно сосредоточенных) с одного элемента ца другой [2, 4].

Прочность наиболее распространен­ ных (клепаных, болтовых, резьбовых) соединений металлических элементов значительно превосходят прочность аналогичных соединений конструкций из композитов. Из-за невысокой проч­ ности на смятие и срез может быть све­ ден на снет» весь выигрыш в массе от применения в конструкции компози­ тов. Если для металлов соотношение характеристик прочности при растя­ жении ав, смятии асм и срезе тср составляет соответственно 1,0; 1,3;

Малое относительное удлинение ряда композитов (например, для углепла­ стиков ё = 0 ,5 ~ 1 ,5%) может привести

кместному локальному разрушению композита уже в процессе клепки. Слоистость структуры композитов приводит к перегрузке прилегающих

кклеевым швам слоев и часто вызывает их отрыв или расслоение.

Для полимерных композитов специ­

фической проблемой является сохра­ нение плотности стыка и обеспечение стабильности затяжки болтовых сое­ динений из-за ползучести и релак­ сации напряжений в соединении.

Эти и другие особенности следует учитывать при проектировании и вы­ боре вида соединений и оценке их

прочности.

Конструктивное оформление соеди­ нений композитных элементов отлича­ ется большим разнообразием и зави­ сит как от назначения и предъявляе­ мых требований, так и от технологиче­ ских операций, с помощью которых они

выполняются.

Каждое соединение обладает своими особенностями, преимуществами и не­ достатками и выбор того или иного И8 них при проектировании изделий за­ висит от ряда факторов — характера и величины нагрузки, размеров дета­ лей, физико-механических свойств ма­ териалов, условий эксплуатации, стои­ мости, технологической реализуемости, а также от специальных требований, например, по герметичности.

Условно факторы, определяющие конструктивно-технологический об­

лик проектируемого соединения, мож­ но объединить в три группы: эксплу­ атационные, технологические и кон­ структивные, Взаимосвязь перечислен­ ных факторов требует комплексного подхода к проблеме проектирования соединений композитов и необходи­ мости вести этот процесс одновременно с процессом проектирования всей кон­ струкции.

Любую конструкцию можно рас­ сматривать как комбинацию листов, балок, стержней, оболочек, труб и других элементов, соединенных вое­ дино. Комбинируя эти элементы, мож­ но получить большое количество раз­ личных по геометрии соединений. Их можно свести к нескольким основ­ ным видам: стыковым, нахлесточным и угловым. В конструкциях из компо­ зитов соединительные узлы могут быть образованы с применением как одного из перечисленных видов соеди­ нений, так и их комбинации.

Элементы, образующие агрегат или изделие, могут быть соединены между собой с помощью клеевой прослойки, механического крепежа (болтов, эаклепок и т. д.), выступов и углублений, имеющихся на поверхностях соеди­ няемых деталей (например, резьбо­ вые и клиновые соединения), а также сочетанием названных соединительных элементов (например, клей совместно с болтами, заклепками, резьбой).

Особую группу составляют соеди­ нения, образуемые непосредственно в в процессе формования композитных изделий. В качестве примера можно привести соединения фланцев, фитин­ гов, окантовок с такими композитными деталями, как баллоны давления, стержни, трубы.

8.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Выбор и обоснование целевой функ­ ции, с помощью которой возможно оценивать эффективность различных видов соединений, представляют из­ вестные трудности ввиду многоплано­ вости задачи.

Используются различные показатели качества: теоретический kT и эффек­ тивный &еф ноэффициенты концентра-

Рис. 8.1. Формы разрушения механиче- сеих соединений композитных элементов:

а — разрушение по ослабленному сече­ нию; б — срез—сдвиг композита; в —

смятие композита; г — срез «силовой точ­ ки»

ции напряжений, коэффициенты проч­ ности шва фшв» приведенные затраты. Наиболее общую оценку эффективности соединений проводят с помощью экс­ пертных «балльных» оценок [2]. Их применение, эффективное лишь на самой ранней стадии выбора видов соединений, не позволяет сделать точ­ ный количественный анализ.

В практической реализации про­ цедуры выбора вида соединений КМ и определения их оптимальных пара­ метров наиболее целесообразным яв­ ляется применение методики, осно­ ванной на использовании экспери­ ментально-теоретических подходов.

На первом этапе определяются экс­ периментально основные константы прочности композитов на смятие осма, среэ тсра и разрыв ова с учетом направ­ ления действия внешней нагрузки по отношению к осям симметрии упругих характеристик материала.

На втором этапе проводится теоре­ тический анализ распределения нанагрузок и напряжений в соединении и выполняется процедура выбора оп­ тимальных параметров соединений, ис­ ходя из условия равнопрочности (рис. 8 . 1 ). Так как условие равно­ прочности соединения

Рс ~ Ро. о = ^см == ^ср = Рср. т

(8. 1)

(где Р0. с, Р см, Яср, Яср. т-—нагрузки, разрушающие образец соответственно по ослабленному сечению, в резуль­ тате смятия, среза и среза силовой

точки) реализуется неоднозначно, то для выбора наилучшего варианта не­ обходимо задавать целевую функцию и искать ее экспериментальное зна­

чение.

Для наиболее распространенных ви­ дов соединений клеевых, клее-клепа- ных, клепаных, болтовых и штифтобол­ товых в качестве целевой функции

Здесь ф (W8) — коэффициент прочно­

Gcs — увеличение массы конструк­ ций от соединения; СПра = СТ8 + + EHks — приведенные затраты на выполнение всего объема s-вида соеди­ нения (CTs — технологическая себе­ стоимость; kg— капитальные затраты на оборудование для выполнения s-

нормативный коэффициент эффектив­ ности капитальных затрат); йС8 — среднее значение коэффициента запаса прочности соединения; йс. м— сред­ нее значение коэффициента запаса прочности для материала; т| — коэф­

носительный годовой объем выполне­ ния соединений s-вида для всех кон­ струкций (k — количество конструкций с s-видом соединений); — коэф­ фициент, учитывающий масштабный фактор при переходе от расчета проч­ ности образца к прочности всех соеди­ нений s-ro вида конструкции:

где оп и m — параметры распределе­ ния Вейбулла, полученные при ис­

oBa2nRkt niOcM afce 1

n d % yo l + 3t*

40см^ш

SfiyTop 0

Здесь Q8 — усилие затяжки штифтов;

С0т — GCM/ACMI CQ — ■

kt = \ + 4МИЗр X

NR

х (1 — COS Уо) (я + tg у0 — ф0)

где Сф, сот» CQ — жесткость фланца, отверстия на смятие, болта на растя­

жение; L* — краевая зона оболочки; Ет — относительная площадь кон­ такта фланца (Ет = 0 ,8 ); МИ8Г — из­

v2i, £б — упругие постоянные пакета и болта; Rz — шероховатость поверх­ ности стыка; ф0 — угол, определяю­ щий положение нейтральной оси; N — осевая сила; п — количество штифтов в одном ряду; Хр — податливость резь­

бы болтов ^ 0 , 8 -g g -- у, /—ко­

личество рядов; с — приведенная дли­ на болтов; GCM— модуль упругости при смятии; Дсм— смешение штифта в от­ верстии.

На рис. 8.4 представлены резуль­ таты расчетов однорядных и двухряд­ ных ШБС, выполненных с предвари­ тельной затяжкой болтов и без нее.

Для оболочек, работающих на внут­ реннее давление и изгиб с автономным обеспечением герметичности, наиболее эффективно использование двухряд­ ного шва: снижение массы составляет 16 кг. В том случае, когда плотность стыка и герметичность обеспечиваются за счет предварительной затяжки бол­ тов, существенно возрастает масса изделия, так как возрастают абсо­ лютные нагрузки на болт при некото­ ром уменьшении амплитуды перемен-

к*-тг

ИЛсоединения соединения

материала бпр — бм£ А Для значений бпр определяются показатели эффек­

мых материалов всех видов соединений показатели эффективности снижаются. Это объясняется возрастанием коэф­ фициента ke и увеличением количе­ ства рядов в соединении. Для рас­ сматриваемого материала область эф­ фективного использования клеевых соединений находится в пределах до 1 , 6 мм толщины соединяемых дета­

соединений оболочек с толщиной ма­ териала б ^ 8 мм целесообразно при­ менять штифтоболтовые или штифто­ шпилечные соединения. Таким обра­ зом критерий эффективности соедине­ ний, дающий возможность оценить изменение прочности соединения на единицу изменения приведенной мас­ сы стыка, позволяет производить по­ следовательный итерационный цикл оптимизации конструкторско-техноло­ гических параметров соединения и выбор вида соединения, обладающего большой эффективностью.

8 .2 . П РО ЕК ТИ РО В А Н И Е К Л Е Е В Ы Х СОЕДИНЕНИЙ

При изготовлении клеевых соединений композитных элементов основными этапами являются выбор силовой схе­ мы (вида) соединения и определение его конструктивных параметров.

Наиболее распространенным видом клеевого соединения является соеди­ нение внахлестку (рис. 8 .6 ) (5]. При­ ложение нагрузки в плоскости скле­ енных элементов вызывает появление напряжения сдвига в клеевом слое и на поверхности раздела. На напря­ женно-деформированное состояние, а следовательно, и на несущую способ­ ность соединения большое влияние оказывают его конструктивные пара­ метры.

Распределение касательных напря­ жений %х по длине клеевого шва и

(Blt B2— жесткости элементов при рас­

Рис. 8.в. Расчетная схема клеевого нахлесточного соединения

Для элементов одинаковой жесткости (Bi = В2 = В, Ф = 1 /2 ) полученноерешение принимает вид

где k = 1/2G/B6 .

Из равенства (8.3) следует, что ка­ сательные напряжения по длине клее­ вого шва распределяются неравно­ мерно и имеют максимальную вели­ чину Ттах на концах нахлестки, т. е. при х = 0 и х = /. Из (8.3) имеем

Величина ттах зависит от параметра kt причем несущая способность соеди­ нения с увеличением k падает. Входя­ щее в параметр k отношение G/ 6 ха­ рактеризует способность клеевой про­ слойки влючать в работу присоединен­ ный элемент. Чем выше жесткость клеевой прослойки, тем меньший ее объем оказывается нагруженным, тем выше максимальные напряжения.

Из формулы (8.4) следует, что при увеличении длины нахлестки напряже­ ние тт ах снижается и, достигнув не­ которого предела, остается постоян­ ным. Величину нахлестки, при дости­ жении которой перестает уменьшаться максимум касательных напряжений, обозначим черев /пр. Поскольку при

Nk ______

:= — = N 1/0/256,

т.е. тШах зависит только от нагрузки

и от упругих характеристик элементов соединений.

Из формул (8.3) можно заключить, что с увеличением длины нахлестки касательные напряжения в ее средней части уменьшаются до нуля. При превышении длины нахлестки ве­ личины /пр в центре соединения начи­

нает развиваться зона, которая не принимает участия в восприятии внеш­ ней нагрувки. Величину /пр можно определить из условия cth (6 /пр/2 ) » 1 . В результате с учетом б/др/2-3

/пр « 6 1/56/20 .

Неравномерность распределения на­ пряжений в соединении обычно харак­ теризуется коэффициентом концентра­ ции напряжений я, представляющим собой отношение максимального на­ пряжения в клеевом шве к среднему тср» рассчитанному как частное от деления растягивающей силы на пло­ щадь шва. Коэффициент концентрации напряжений в нахлесточном соедине­ нии двух одинаковых элементов.

kl_

2

Анализ напряжений в нахлесточном клеевом соединении элементов различ­ ной жесткости выявляет еще большую неравномерность распределения ка­ сательных напряжений в клеевой про­ слойке. Напряжения сдвига имеют максимумы на концах нахлестки, при­ чем больший из них расположен со стороны менее жесткого элемента.

При большой длине соединения / ^ ^ /Пр касательные напряжения на концах нахлестки определяются сле­ дующими приближенными асимптоти­ ческими зависимостями:

личение жесткости только одного И8 соединяемых элементов уменьшает

прочность соединения.

Напряжения, возникающие в клее­ вых соединениях при действии внеш­ них нагрузок, накладываются на на­ чальные (остаточные) напряжения, по­ явившиеся в процессе склеивания. Наибольших величин эти остаточные напряжения достигают в случае склей-

вания при повышенных температурах разнородные элементов. Зависимости температурных напряжений в клее­ вой прослойке и усилий в соединяемых разнородных элементах имеют вид

t — перепад температур при охлажде­ нии после склеивания; В В 2, с^, а2 — соответственно жесткости и тем­ пературный коэффициент линейного расширения первого и второго соеди­ няемых элементов. Максимальные ка­ сательные напряжения возникают на концах нахлестки. Величина тгаах и степень изменяемости т возрастают при увеличении параметра k . Максималь­ ные остаточные напряжения тем выше, чем тоньше клеевая прослойка, выше ее модуль упругости и меньше раз­ личие в жесткостях соединяемых ма­ териалов. Необходимо учитывать так­ же, что возникающие в соединяемых элементах напряжения могут выз­ вать изгибание (коробление) соедине­ ния и тем большее, чем больше разли­ чие жесткостей элементов. По сравне­ нию с действительными расчетные оста­ точные напряжения, как правило, оказываются завышенными, что свя­ зано с неучетом высокоэластичных и пластических деформаций клеевых прослоек, которые особенно сущест­ венно проявляются на начальной ста­ дии охлаждения клеевого соединения. Зависимости (8 .6 ) можно использовать в основном для качественного анализа остаточных напряжений в клеевых соединениях.

Характерной особенностью углового соединения (рис. 8.7) является то, что клеевая прослойка в нем работает на отрыв. В случае, если параметры соединения по длине клеевого слоя не меняются, то, считая основание 2 абсолютно жестким, а клеевую про­ слойку и элемент 1 —- линейно упру­ гими и используя уравнение балки

Рис. 8.7. Конструктивная (а) и расчет­ ная {б) схемы углового соевннения

на упругом основании, можно полу­ чить следующее выражение для рас­ пределения нормальных напряжений в клеевой прослойке:

4 г

Из равенства (8.7) следует, что мак­ симальное напряжение реализуется при х = 0 , т. е.

При увеличении толщины присоеди~ няемого элемента в 1 0 раз максималь­ ное нормальное напряжение умень­ шается в 5,7 раз и соответственно увеличивается несущая способность соединения. Влияние жесткости клее­ вой прослойки (£к/6 ), входящей в выражение (8.7), в соединении рас­ сматриваемого типа значительно меньше, чем в нахлесточном соедине­ нии.

Полученные выше результаты соот­ ветствуют случаю, когда жесткость элемента 2 (см. рис. 8.7) значительно превосходит изгибную жесткость пол­ ки 1. В случае соединения элементов с соизмеримыми жесткостями распре­ деление нормальных напряжений в клеевой прослойке и прочность соеди­ нения существенно зависят от жест­ кости элемента 2. Уменьшение жест­ кости основания приводит к значитель­ ному снижению разрушающей нагруз­ ки, что связано с изгибом элемента 2 , и появлению дополнительной кон­ центрации отрывающих напряжений уже на другом конце соединения.

Рассмотренные теоретические зави­ симости распределения напряжений

в различных соединениях позволяют определить пути создания соединений с уменьшенной концентрацией напря­ жений. Способы снижения концентра­ ции напряжений могут быть основаны на изменении жесткости клеевой про­ слойки или соединяемых элементов по длине соединения, особенно на его на­ чальных участках. Эффективным спо­ собом уменьшения концентрации на­ пряжений в нахлесточном соединении может быть применение комбинации клеев: эластичного (по краям) и более жесткого (в средней части). Такое со­ четание вызовет появление вторичных максимумов на участках, где изменя­ ется модуль упругости клеевой про­ слойки, однако эти пики напряжения не столь велики и опасны, как напря­ жения, возникающие при склеивании с помощью одного клея. В некоторых случаях выравнивание напряжений в клеевой прослойке может быть осуще­ ствлено путем изменения ее толщины, например, в нахлесточных соедине­ ниях, имеющих у кромок утолщенную клеевую прослойку, прочность на сдвиг повышается на 10—15%.

Для снижения концентрации напря­ жений в нахлесточном соединении широко применяют способы срезания части материала, благодаря чему по­ вышается деформативность оставшегося приклеиваемого элемента. Последнее обстоятельство приводит к тому, что включение элемента в работу происхо­ дит более плавно, т. е. снижается кон­ центрация напряжений.

Считается, что в соединении «на ус» одинаковых элементов концентрация напряжений практически отсутствует (п = 1). При соединении листов, труб, изготовленных из материалов с раз­ личными упругими свойствами, рас­ пределение напряжений по длине ско­ са имеет неравномерный характер. Так, в клеевой прослойке, соединяю­ щей «на ус» образцы из боропластика и алюминиевого сплава, наиболее на­ груженной является часть клеевой прослойки у конца скоса более жест­ кого (борэпоксидного) элемента.

Задавая различные законы изме­ нения жесткости соединяемых элемен­ тов, можно получить всевозможные картины распределения касательных напряжений в клеевой прослойке

т. е. добиться положительных резуль­ татов по снижению неравномерности распределения касательных напряже­ ний в соединении «на ус» разнородных элементов. Например, применение про­ точки на более жесткой металлической трубе в соединении ее «на ус» с трубой из стеклопластика привело к повыше­ нию прочности примерно на 30%. Оптимизацию соединения разнородных элементов все чаще производят с при­ менением ЭВМ. Рассчитывая с помо­ щью ЭВМ напряжения в любой точке соединения и варьируя толщиной соеди­ няемых элементов, можно получить относительно равномерное распреде­ ление касательных напряжений по всей длине клеевого соединения.

При проектировании врезных нахле­ сточных соединений необходимо соблю­ дать требования, вытекающие из анали­ за соединений: длину ступеней делать переменной, наружные ступени делать длиннее, а внутренние — короче. Это приводит к тому, что максимум касательных напряжений будет на­ ходиться во внутренней части соеди­ нения.

В угловых соединениях концентра­ цию наиболее опасных отрывающих напряжений можно снизить, например, плавным уменьшением толщины при­ клеиваемой полки по ее длине. Более равномерное распределение напряже­ ний в клее вследствие уменьшения жесткости склеиваемых кромок уголь­ ника повышает прочность соединения.

После выбора конфигурации соеди­ нения на следующем этапе проекти­ рования следует провести предвари­ тельное определение размеров с после­ дующим уточненным анализом на­ пряженного состояния. Первое пред­ ставление о размерах соединения мож­ но получить, исходя из приближенно определенной площади клеевого шва, необходимой для передачи нагрузки F = N/тср или F = N/ocр, где тср = = тв/л1 , оср = ов/п2\ N — расчетное

.усилие; тв, ав — пределы прочности клеевой прослойки при сдвиге и рас­ тяжении соответственно; nl t n2 — ожи­ даемые коэффициенты концентрации напряжений.

Полученное таким образом первое приближение может быть улучшено путем последовательных уточнений.

При этом для предварительного ана­ лиза используются соотношения, при­ веденные ранее, а окончательный рас­ чет осуществляется на основе более точных методов. Целесообразно ис­ пользовать энергетические методы, ме­ тоды конечных элементов, конечных разностей и сеток, реализуемых на ЭВМ.

8.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Комбинированными называются сое­ динения, образованные одновременно силовыми точками и непрерывным швом. К ним относятся такие соедине­ ния, как клееболтовые, клеезаклепоч­ ные, клеерезьбовые и т. п. Применение при сборке элементов одновременно двух методов соединения обусловлено стремлением иметь более прочный в механическом отношении шов, повы­ сить его ударные и вибрационные ха­ рактеристики и использовать гермети­ зирующие свойства клеевых прослоек.

Например, в клепаных самолетных конструкциях клеевая пленка погло­ щает вибрации, ослабляет действие ударных нагрузок и снижает вероят­ ность усталостного разрушения. При нагружении комбинированного соеди­ нения клеевая прослойка воспринимает часть нагрузки, разгружая силовую точку. Такое перераспределение на­ пряжений уменьшает их концентрацию

уграниц силовой точки, что приводит

кповышению прочности конструкции. В то же время наличие в клеевом шве жестких связей в виде болтов или за­ клепок устраняет серьезный недоста­ ток клеевых соединений — низкую работоспособность при неравномер­ ном отрыве.

Основной задачей при проектирова­ нии клеемеханических соединений яв­ ляется определение усилий в силовых точках, напряжений сдвига в клеевом шве и нормальных напряжений в соеди­ няемыхэлементах. При этом необходимо определить и соотношение нагрузок, воспринимаемых силовыми точками и клеевым швом. Относительно невы­ сокая прочность клеевых композиций при сдвиге и неравномерность рас­

пределения напряжений по длине кле­

евых швов приводят к тому, что клеевая прослойка, как правило, вос­ принимает сравнительно небольшую нагрузку. В связи с этим эффектив­ ность клеевой прослойки в комбини­

учитывать, что для эффективной ра­ боты комбинированного соединения деформативность его элементов должна быть примерно одинаковой, однако, как правило, податливость механиче­ ских (например, клепаных) соедине­ ний значительно выше, чем клеевых. Для устранения этого недостатка мож­ но увеличивать количество и жесткость

нениях заключается в повышении не

К этим соединениям относятся заформовка фланцев в различные оболочки

итрубы, фитингов в стержневые труб­ чатые элементы, соединительных вту­ лок в лонжероны лопастей вертолетов

ит. п. Перечисленные переходные эле­ менты (фланцы, фитинги и т. д.), пред­ назначенные для передачи больших сосредоточенных нагрузок, обычно из­ готавливаются из металлов и соединя­ ются с ответными металлическими из­ делиями традиционными способами.

Проектирование таких соединений заключается в обеспечении совместной работы металлического и композит­ ного элементов. Обычно объединение композитной и металлической деталей осуществляется за счет выступов и впадин, имеющихся на сопрягаемых поверхностях элементов [4]. Напри­ мер, конструкция соединения металли­ ческого фитинга со стержневым труб­ чатым композитным элементом пока­ зана на рис. 8 . 8 и представляет собой углубление трапециевидной формы, в котором уложены основные ориенти­ рованные вдоль оси трубы слои ком­ позита (ф = 0 ), закрепление которых

0 0,г 0,4 0,6 0,8 1,0

Ю

Рис. 8.18. Прочность и деформатнвность соединений КМ, усиленных высокопроч­ ными прослойками:

а — прочность на смятие: 1 — углеродное волокно — ВМН-1+ЭДТ-10; / ' — корд­

№ 156, усиленная фольгой; 3 — ВМН-4+ +ЭДТ-10-f-фольга; 4 — ткань ТСУ-8/3-ВМ78+ЭДТ-10-f- боралюминиевая лента; б — влияние ускоренных кли­ матических испытаний (УКИ) на деформа-

Яр * 14 600 Н; 3 - / = 160 ®С; Я =

= 12 100 Н; после УКИ, эквивалентный эксплуатации в 12 лет

Для металлических соединений дол­ говечность соединений с увеличением натяга растет. Это необходимо прини­ мать во внимание при проектировании соединений из композитов. Пользуясь обобщенными зависимостями рис. 8.9 и 8 .1 0 , можно определить относитель­ ное изменение прочности и долговеч­ ности соединений конструкций из ком­ позитов, если известны данные по

Рис. 8.14. Влияние длины трещины на остаточную прочность н долговечность пластины из КМУ-1У (с отверстием 0 4 мм и В — 72 мм):

а — статические нагрузки (V = 0,5 м/с);

б — повторно-статические нагрузки (о ==

= 0,9ав)

прочности и долговечности пластин с отверстием и известна величина на­ тяга болтов или заклепок.

Исследование прочности болтовых соединений при статических и пере­ менных нагрузках с различной вели­ чиной предварительной затяжки пока­ зывает существенное увеличение дол­ говечности соединений и прочности на смятие. При выборе метода вы­ полнения соединения композитных конструкций необходимо стремиться сохранять повышенную затяжку бол­ тов или заклепок и снижать величину натяга. На рис. 8.12 представлены дан­ ные по изменению долговечности кле­ паных соединений углепластика мар­ ки КМУ-1у, полученных разными ме­ тодами с использованием заклепки из материалов с разной прочностью. Наибольший эффект обеспечивает клепка давлением с раскаткой (кри­