復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件及機(jī)械連接技術(shù)

萬永

摘 要：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件在應(yīng)用中又極其復(fù)雜的環(huán)境，如何與機(jī)械連接技術(shù)相結(jié)合，互為提升，是當(dāng)下重要課題。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；強(qiáng)度；機(jī)械連接

1.前言

我國科技不斷進(jìn)步，不斷追趕歐美發(fā)達(dá)國家，離不開我國多年來對高精尖科技及材料的不懈研究。

2.復(fù)合材料的發(fā)展及市場

由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高，比剛度高，疲勞壽命長，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類先進(jìn)飛機(jī)。復(fù)合材料的機(jī)械連接問題比金屬材料的復(fù)雜和嚴(yán)重。這主要是由于一方面各向異性復(fù)合材料具有高脆性并因此受到復(fù)合力的事實(shí)。另一方面，復(fù)合材料重新分布載荷的能力非常小。因此，大量的近似設(shè)計(jì)不能像金屬一樣使用。

在飛機(jī)組裝中，通常有機(jī)械連接，固井和焊接連接。機(jī)械連接主要包括螺栓連接和鉚接連接，主要用于要求較高負(fù)載或要求較高疲勞壽命的部件。機(jī)械連接具有連接可靠，工藝簡單，反復(fù)拆卸的優(yōu)點(diǎn)。它是飛機(jī)裝配的主要連接方式，占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總連接的70%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)機(jī)械連接通常有數(shù)十萬至數(shù)百萬個緊固孔。大量的緊固孔是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的薄弱部分。因此，在復(fù)雜的交變載荷下，機(jī)械連接部件易于疲勞和損壞。這是服役飛機(jī)中最常見的損壞形式之一。

一般來說，飛機(jī)的故障總數(shù)，對身體的傷害數(shù)量一般占到12%？30%。但是，由于機(jī)載產(chǎn)品系統(tǒng)可以在故障后用新產(chǎn)品替換，因此飛機(jī)機(jī)體的使用壽命決定了飛行器的總飛行壽命。在機(jī)體遭到破壞時，疲勞失效占80%以上，其中多達(dá)75%？80%的機(jī)體因疲勞失效而引起的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)。因此，機(jī)械連接的壽命在一定程度上決定了飛機(jī)的飛行壽命。

因此，有必要增加使用復(fù)合材料的比例。例如，美國的F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)使用了35%的復(fù)合材料。美國B787夢幻客機(jī)使用的復(fù)合材料比例也達(dá)到了50%。有些國家甚至規(guī)定，在90年代以后設(shè)計(jì)飛機(jī)時，當(dāng)復(fù)合材料使用比例低于20%時，設(shè)計(jì)基本可以推翻。復(fù)合材料機(jī)械接頭在疲勞載荷作用下，主要有以下破壞方法：拉伸破壞，剪切破壞，拉伸破壞，擠壓破壞，脫落破壞及其組合。

3.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件種類

用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的緊固件可以解決復(fù)合材料本身的弱點(diǎn)，并克服復(fù)合材料容易出現(xiàn)的問題。這種類型的緊固件具有許多性能特點(diǎn)，根據(jù)不同的安裝結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在重量輕，比強(qiáng)度高，耐腐蝕，預(yù)緊，鎖緊，抗疲勞，防雷，密封等多個方面。緊固件的要求分為鉚釘，旋入式，單面連接和特殊連接類型。

3.1鉚接緊固件

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗沖擊性較差，鉚接過程中緊固件桿的膨脹很可能導(dǎo)致孔的分層，從而影響接頭的質(zhì)量。另外，對于鉚接過程，由于手動鉚接而不易實(shí)現(xiàn)緊固件的一致的緊固扭矩。因此，當(dāng)尺寸大于4毫米時，通常使用大多數(shù)具有可控緊固扭矩的緊固件，但鉚釘相對于其他緊固件易于安裝。而且重量更輕，在某些場合仍然大量使用，主要用于4mm以下的鉚釘連接，有些特殊的4mm以上的珠子結(jié)構(gòu)鉚釘有時也有應(yīng)用。飛機(jī)組合結(jié)構(gòu)中使用的鉚釘主要有A286鉚釘，鈦坩堝鉚釘，雙金屬鉚釘和空心鉚釘。A286鉚釘廣泛用于F-14戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料鰭片的組裝中。應(yīng)力波鉚接系統(tǒng)用于鉚接。目前，鈦鉚釘用于鉚接較薄的復(fù)合墻板。在鉚接過程中，實(shí)心鉚釘多在鉚釘頭下加墊圈，以達(dá)到防止孔壁分層的效果。雙金屬鉚釘是專為鈦合金結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料剪切結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專用緊固件，其桿身強(qiáng)度高，尾部塑性好，可代替剪切式鈦高鎖緊螺栓，鉚釘和釘尾接頭表面位于最大夾層夾層中；空鉚鈦鉭材料，雙面埋頭形式，鉚接后可保證飛機(jī)的氣功性能。當(dāng)鉚接時，需要特殊設(shè)備來擴(kuò)大空尾。鉚接力小，不會對復(fù)合材料造成損傷。它主要用于控制表面等結(jié)構(gòu)。

3.2螺栓緊固件

用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的開放區(qū)域的螺栓緊固件主要包括鈦合金螺栓/自鎖螺母，鈦合金高密封螺栓/高密封螺母和渦流2型螺栓緊固系統(tǒng)，所有這些都是必需的在安裝過程中。進(jìn)行力矩控制是為了避免連接后復(fù)合材料承載力的下降。

對于復(fù)合結(jié)構(gòu)中鈦合金螺栓/自鎖螺母的安裝，由于復(fù)合材料的承載能力較差，因此在安裝時必須使用扭矩限制扳手進(jìn)行扭矩控制，以確保一致的安裝扭矩和避免扭矩。對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的不一致性。由于鈦合金螺栓/自鎖螺母必須使用扭矩限制扳手，因此其使用受到一定的限制。國外對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的螺栓/螺母組件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，開發(fā)了Eddy2型螺栓緊固系統(tǒng)。緊固系統(tǒng)的螺栓部分通過在螺紋部分增加一個普通的高鎖螺栓并在螺母尾部的外表面增加3個突出部分而制成。在安裝過程中，螺栓和螺母通過專用工具擰在一起。當(dāng)預(yù)緊扭矩達(dá)到一定值時，突起開始變形，并且變形的金屬填充螺栓的螺紋部分的凹槽以形成可靠的鎖定。當(dāng)突起在工具的外表面上形成光滑的圓形表面時，工具自然地移除并完成整個安裝過程，以實(shí)現(xiàn)螺栓與螺母之間的正向鎖定并預(yù)張緊工件。

艾迪螺栓還可以安裝艾迪擠壓蓋。與其他螺栓/斷裂環(huán)蓋或螺母緊固件系統(tǒng)相比，Eddy2型螺栓緊固系統(tǒng)重量輕，性能高，并且可避免卡扣。它被用于許多外國型號。鈦合金高鎖螺栓是由原Hi-shear公司開發(fā)的鈦合金緊固件，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的雙面安裝。它具有預(yù)壓，自鎖，高疲勞壽命，抗震動和防松措施。，可與各種材質(zhì)相結(jié)合，安裝噪音小，安裝方便等特點(diǎn)，分為100°沉頭，平頭剪和拉伸鈦高鎖螺栓，主要應(yīng)用于機(jī)身，機(jī)翼，垂尾，連接適用于平尾和方向舵等開放區(qū)域。

最早開發(fā)的鈦合金高鎖螺栓采用間隙式Hi-Lok鈦合金高鎖螺栓，隨后開發(fā)出可用于金屬結(jié)構(gòu)的耐疲勞Hi-Tigue鈦合金高鎖螺栓，并在Hi-Lok/Hi-在Tigue鈦合金高鎖螺栓的基礎(chǔ)上，開發(fā)出目前使用的Hi-lite輕量鈦合金高鎖螺栓。與普通高強(qiáng)度螺栓相比，這種緊固件可以有效地減輕10%以上的結(jié)構(gòu)重量。在采用高鎖螺栓的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，其配套的高鎖緊螺母應(yīng)采用防腐普通型，密封型，可調(diào)高鎖緊螺母。

4.復(fù)合材料連接技術(shù)

復(fù)合材料機(jī)械連接技術(shù)已在國內(nèi)多年研究和應(yīng)用，普通鈦合金螺栓，鈦合金高鎖螺栓等鈦合金緊固件已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。該復(fù)合材料為層狀結(jié)構(gòu)，層剪切強(qiáng)度低，塑性差，抗沖擊性差，開孔后應(yīng)力集中系數(shù)高，連接后負(fù)載重新分布不均勻，使得最佳當(dāng)前連接關(guān)節(jié)的強(qiáng)度。只能達(dá)到原始層壓板的一半強(qiáng)度。在楔形，階梯式，雙面搭接和單面搭接接頭中，兩個接頭的聯(lián)合效率對于楔形和階梯式接頭是最高的，因?yàn)榻宇^中的負(fù)載傳輸路徑基本不變。面對面和單面搭接接頭的接頭效率最低。連接中應(yīng)解決以下問題：

4.1連接器設(shè)計(jì)。

在正常情況下，應(yīng)避免使用多排緊固件連接連接器。最好的連接器設(shè)計(jì)是使用兩排緊固件完成接頭連接。然而，當(dāng)在復(fù)合結(jié)構(gòu)中使用干涉連接技術(shù)時，可以使用多行緊固件來完成接頭連接，因?yàn)楦缮孢B接能夠改善釘上的載荷分布并且可以降低外部和內(nèi)部行的承載能力的指甲。不同之處在于提高內(nèi)排釘?shù)某休d能力。

5.結(jié)束語

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造，航天航空，等高尖領(lǐng)域，其重要性不言而喻，其機(jī)械連接技術(shù)也是研究的重要領(lǐng)域，可以進(jìn)一步提升我國科技水平。

參考文獻(xiàn)：

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