復合材料結(jié)構用緊固件及機械連接技術

萬永

摘 要：復合材料結(jié)構用緊固件在應用中又極其復雜的環(huán)境，如何與機械連接技術相結(jié)合，互為提升，是當下重要課題。

關鍵詞：復合材料；強度；機械連接

1.前言

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

2.復合材料的發(fā)展及市場

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

在飛機組裝中，通常有機械連接，固井和焊接連接。機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載或要求較高疲勞壽命的部件。機械連接具有連接可靠，工藝簡單，反復拆卸的優(yōu)點。它是飛機裝配的主要連接方式，占飛機結(jié)構總連接的70%以上。據(jù)統(tǒng)計，飛機機械連接通常有數(shù)十萬至數(shù)百萬個緊固孔。大量的緊固孔是飛機結(jié)構中應力的薄弱部分。因此，在復雜的交變載荷下，機械連接部件易于疲勞和損壞。這是服役飛機中最常見的損壞形式之一。

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

因此，有必要增加使用復合材料的比例。例如，美國的F-22猛禽戰(zhàn)斗機使用了35%的復合材料。美國B787夢幻客機使用的復合材料比例也達到了50%。有些國家甚至規(guī)定，在90年代以后設計飛機時，當復合材料使用比例低于20%時，設計基本可以推翻。復合材料機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.復合材料結(jié)構用緊固件種類

用于復合材料結(jié)構的緊固件可以解決復合材料本身的弱點，并克服復合材料容易出現(xiàn)的問題。這種類型的緊固件具有許多性能特點，根據(jù)不同的安裝結(jié)構，主要體現(xiàn)在重量輕，比強度高，耐腐蝕，預緊，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

由于復合材料結(jié)構的抗沖擊性較差，鉚接過程中緊固件桿的膨脹很可能導致孔的分層，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現(xiàn)緊固件的一致的緊固扭矩。因此，當尺寸大于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)構鉚釘有時也有應用。飛機組合結(jié)構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)斗機復合材料鰭片的組裝中。應力波鉚接系統(tǒng)用于鉚接。目前，鈦鉚釘用于鉚接較薄的復合墻板。在鉚接過程中，實心鉚釘多在鉚釘頭下加墊圈，以達到防止孔壁分層的效果。雙金屬鉚釘是專為鈦合金結(jié)構和復合材料剪切結(jié)構設計的專用緊固件，其桿身強度高，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，鉚接后可保證飛機的氣功性能。當鉚接時，需要特殊設備來擴大空尾。鉚接力小，不會對復合材料造成損傷。它主要用于控制表面等結(jié)構。

3.2螺栓緊固件

用于復合結(jié)構的開放區(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。進行力矩控制是為了避免連接后復合材料承載力的下降。

對于復合結(jié)構中鈦合金螺栓/自鎖螺母的安裝，由于復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行扭矩控制，以確保一致的安裝扭矩和避免扭矩。對復合材料結(jié)構性能的不一致性。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。國外對復合材料結(jié)構的螺栓/螺母組件進行了重新設計，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。當預緊扭矩達到一定值時，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，以實現(xiàn)螺栓與螺母之間的正向鎖定并預張緊工件。

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，用于飛機結(jié)構的雙面安裝。它具有預壓，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，分為100°沉頭，平頭剪和拉伸鈦高鎖螺栓，主要應用于機身，機翼，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。與普通高強度螺栓相比，這種緊固件可以有效地減輕10%以上的結(jié)構重量。在采用高鎖螺栓的復合結(jié)構中，其配套的高鎖緊螺母應采用防腐普通型，密封型，可調(diào)高鎖緊螺母。

4.復合材料連接技術

復合材料機械連接技術已在國內(nèi)多年研究和應用，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用于復合材料結(jié)構中。該復合材料為層狀結(jié)構，層剪切強度低，塑性差，抗沖擊性差，開孔后應力集中系數(shù)高，連接后負載重新分布不均勻，使得最佳當前連接關節(jié)的強度。只能達到原始層壓板的一半強度。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，因為接頭中的負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。連接中應解決以下問題：

4.1連接器設計。

在正常情況下，應避免使用多排緊固件連接連接器。最好的連接器設計是使用兩排緊固件完成接頭連接。然而，當在復合結(jié)構中使用干涉連接技術時，可以使用多行緊固件來完成接頭連接，因為干涉連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

復合材料結(jié)構用緊固件廣泛應用于飛機制造，航天航空，等高尖領域，其重要性不言而喻，其機械連接技術也是研究的重要領域，可以進一步提升我國科技水平。

參考文獻：

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