先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

李天藝

摘要：采用先進(jìn)復(fù)合材料生產(chǎn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，會形成一定的工藝分離面和設(shè)計(jì)面，產(chǎn)生連接件，需要采用飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)來進(jìn)行連接。本文對先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并分析了其未來的發(fā)展方向，旨在與同行進(jìn)行交流。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)；發(fā)展方向

復(fù)合材料的各向異性、脆性及其非均質(zhì)性使復(fù)合材料連接的失效更為復(fù)雜，其損傷擴(kuò)展特點(diǎn)及其斷裂性能等都與金屬材料有很大的差別；其次.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)設(shè)計(jì)依賴大量的試驗(yàn)及設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)；加之復(fù)合材料制孔困難，且纖維被切斷，導(dǎo)致孔邊應(yīng)力分布較復(fù)雜，應(yīng)力集中程度高，導(dǎo)致強(qiáng)度嚴(yán)重下降。因此，相對金屬件的連接，復(fù)合材料的連接是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)破壞的60%-80%發(fā)生在連接處。如A380碳纖維復(fù)合材料（CFRP）中央冀盒翼根的連接曾是面臨的主要問題。因此，先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全和效率有著至關(guān)重要的作用，這對傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)械連接技術(shù)在連接件種類、安裝工具及設(shè)備等方面提出了新的挑戰(zhàn)及更高的要求，已成為研究的重點(diǎn)。

1國內(nèi)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)現(xiàn)狀

1.1連接件種類、規(guī)格、設(shè)備能力有限

與我國正在研制的大飛機(jī)項(xiàng)目所需標(biāo)準(zhǔn)件相比，我國生產(chǎn)的可用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)連接的高質(zhì)量、高可靠性標(biāo)準(zhǔn)件種類、規(guī)格有限，設(shè)備能力有限，性能有待于進(jìn)一步提高。在國際航空業(yè)飛速發(fā)展的形勢下，國內(nèi)及需開發(fā)新材料、研制新型緊固件、擴(kuò)大生產(chǎn)能力，來滿足國內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)的連接需求。

1.2工藝落后、機(jī)械化、自動(dòng)化程度不高

國內(nèi)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方面已采用自動(dòng)鉆鉚和電磁鉚接技術(shù)，但應(yīng)用還不普遍，柔性裝配技術(shù)受到廣泛關(guān)注.已有相當(dāng)數(shù)量的研究項(xiàng)目正在實(shí)施，有望在不久的將來得到推廣和應(yīng)用。國內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)連接以手工作業(yè)為主，自動(dòng)化半自動(dòng)化裝配作業(yè)為輔，除個(gè)別主機(jī)廠配有自動(dòng)鉆鉚機(jī)，但仍在小范圍應(yīng)用之中，局限于開敞度較高的壁板結(jié)構(gòu)中，如西飛、成飛、北京航空制造工程研究所等。

為提高工作效率，減少操作人數(shù)和工作量。國內(nèi)已重視采用先進(jìn)的裝配連接技術(shù)，加大在自動(dòng)鉆鉚技術(shù)和設(shè)備方面的研制，并取得了一定的成果。中航工業(yè)西飛全自動(dòng)數(shù)控托架系統(tǒng)的研制成功及相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在ARJ21機(jī)翼壁板鉚接中順利實(shí)施，填補(bǔ)了國內(nèi)航空工業(yè)大型壁板自動(dòng)鉚接技術(shù)的空白，為自動(dòng)鉆鉚設(shè)備鉚接復(fù)合材料壁板奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)由沈陽機(jī)床、北航、沈飛聯(lián)合研制的多功能制孔執(zhí)行器順利實(shí)施，為發(fā)展機(jī)器人裝配制孔技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)機(jī)器人復(fù)合材料自動(dòng)鉆鉚技術(shù)剛剛起步，由北京機(jī)器人研究所和北京航空制造工程研究所聯(lián)合研制的機(jī)器人復(fù)合材料自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)尚處于開發(fā)階段，離推廣應(yīng)用還有很大距離。國外電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用已比較成熟，國內(nèi)僅有西工大、北京航空制造工程研究所、成飛等單位在電磁鉚接設(shè)備和鉚接工藝等方面進(jìn)行了一定研究，但還未進(jìn)入工程化應(yīng)用。

2先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)發(fā)展方向

2.1 研究新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)

和國外發(fā)達(dá)國家相比，我國的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)還比較落后，技術(shù)手段的自動(dòng)化程度和智能化程度不夠，導(dǎo)致連接效率低下，連接質(zhì)量有待提高。在未來的發(fā)展過程中，會研究新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，從實(shí)際的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)結(jié)合連接技術(shù)對材料的要求，不斷借鑒和引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上針對相關(guān)的技術(shù)以及設(shè)備的特性，加強(qiáng)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)化研究。在未來的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)中，將會充分利用現(xiàn)代技術(shù)，包括自動(dòng)化裝配技術(shù)、數(shù)字化定位技術(shù)、集成技術(shù)、自動(dòng)鉆鉚技術(shù)、電磁鉚接設(shè)備、自動(dòng)化柔性技術(shù)的應(yīng)用，不斷促進(jìn)我國復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的自動(dòng)化發(fā)展和智能化發(fā)展，提高飛機(jī)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還能夠減少人力資源的利用，縮短生產(chǎn)周期，提升我國的制造裝備水平。

2.2加強(qiáng)高質(zhì)量和高性能的先進(jìn)復(fù)合材料連接件的研究

在未來的發(fā)展過程中，我國在飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)領(lǐng)域，還會加強(qiáng)對高質(zhì)量和高性能先進(jìn)復(fù)合材料連接件的研究。在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，航空運(yùn)輸市場對航空運(yùn)輸?shù)囊蟾?，未來滿足這種更高的要求，我國政府加強(qiáng)了對飛機(jī)項(xiàng)目的重視，在飛機(jī)上廣泛分布各種緊固件。飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)采用的復(fù)合材料比例在增加，已經(jīng)達(dá)到了 15%。為了避免飛機(jī)在總裝時(shí)出現(xiàn)緊固件短缺而對整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度造成影響，在未來的研究中，將會加強(qiáng)對高質(zhì)量和高性能的先進(jìn)復(fù)合材料研究，做好復(fù)合材料連接件的國產(chǎn)化規(guī)劃，充分借鑒國外的先進(jìn)產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，研制出適應(yīng)我國飛機(jī)使用的新型高端的緊固件。

總之，現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化已是大勢所趨，在機(jī)遇與挑戰(zhàn)面前，國內(nèi)應(yīng)看好前景，重視差距，準(zhǔn)確定位，正確把握先進(jìn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的應(yīng)用需求和發(fā)展方向，著力自主創(chuàng)新，從體制、設(shè)備、工藝、人員等方面作好準(zhǔn)備努力提高水平，促進(jìn)我國飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)逐步趕上國際先進(jìn)水平。我國目前在連接技術(shù)方向存在的缺陷，借鑒國外相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，加強(qiáng)對新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的研究，不斷提升我國連接技術(shù)的智能化和自動(dòng)化水平，同時(shí)加強(qiáng)高質(zhì)量和高性能的先進(jìn)復(fù)合材料連接件的研究，生產(chǎn)出新型高端的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

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