复合材料结构用紧固件及机械连接技术

复合材料结构用紧固件及机械连接技术

作者：万永

来源：《科学与财富》2018年第21期

摘要：复合材料结构用紧固件在应用中又极其复杂的环境，如何与机械连接技术相结合，互为提升，是当下重要课题。

关键词：复合材料；强度；机械连接

1.前言

我国科技不断进步，不断追赶欧美发达国家，离不开我国多年来对高精尖科技及材料的不懈研究。

2.复合材料的发展及市场

由于复合材料具有比强度高，比刚度高，疲劳寿命长，耐腐蚀等优点，被广泛应用于各类先进飞机。复合材料的机械连接问题比金属材料的复杂和严重。这主要是由于一方面各向异性复合材料具有高脆性并因此受到复合力的事实。另一方面，复合材料重新分布载荷的能力非常小。因此，大量的近似设计不能像金属一样使用。

在飞机组装中，通常有机械连接，固井和焊接连接。机械连接主要包括螺栓连接和铆接连接，主要用于要求较高负载或要求较高疲劳寿命的部件。机械连接具有连接可靠，工艺简单，反复拆卸的优点。它是飞机装配的主要连接方式，占飞机结构总连接的70%以上。据统计，飞机机械连接通常有数十万至数百万个紧固孔。大量的紧固孔是飞机结构中应力的薄弱部分。因此，在复杂的交变载荷下，机械连接部件易于疲劳和损坏。这是服役飞机中最常见的损坏形式之一。

一般来说，飞机的故障总数，对身体的伤害数量一般占到12%？30%。但是，由于机载产品系统可以在故障后用新产品替换，因此飞机机体的使用寿命决定了飞行器的总飞行寿命。在机体遭到破坏时，疲劳失效占80%以上，其中多达75%？80%的机体因疲劳失效而引起的机械连接结构。因此，机械连接的寿命在一定程度上决定了飞机的飞行寿命。

因此，有必要增加使用复合材料的比例。例如，美国的F-22猛禽战斗机使用了35%的复合材料。美国B787梦幻客机使用的复合材料比例也达到了50%。有些国家甚至规定，在90

年代以后设计飞机时，当复合材料使用比例低于20%时，设计基本可以推翻。复合材料机械接头在疲劳载荷作用下，主要有以下破坏方法：拉伸破坏，剪切破坏，拉伸破坏，挤压破坏，脱落破坏及其组合。

3.复合材料结构用紧固件种类

用于复合材料结构的紧固件可以解决复合材料本身的弱点，并克服复合材料容易出现的问题。这种类型的紧固件具有许多性能特点，根据不同的安装结构，主要体现在重量轻，比强度高，耐腐蚀，预紧，锁紧，抗疲劳，防雷，密封等多个方面。紧固件的要求分为铆钉，旋入式，单面连接和特殊连接类型。

3.1铆接紧固件

由于复合材料结构的抗冲击性较差，铆接过程中紧固件杆的膨胀很可能导致孔的分层，从而影响接头的质量。另外，对于铆接过程，由于手动铆接而不易实现紧固件的一致的紧固扭矩。因此，当尺寸大于4毫米时，通常使用大多数具有可控紧固扭矩的紧固件，但铆钉相对于其他紧固件易于安装。而且重量更轻，在某些场合仍然大量使用，主要用于4mm以下的铆钉连接，有些特殊的4mm以上的珠子结构铆钉有时也有应用。飞机组合结构中使用的铆钉主要有A286铆钉，钛坩埚铆钉，双金属铆钉和空心铆钉。A286铆钉广泛用于F-14战斗机复合材料鳍片的组装中。应力波铆接系统用于铆接。目前，钛铆钉用于铆接较薄的复合墙板。在铆接过程中，实心铆钉多在铆钉头下加垫圈，以达到防止孔壁分层的效果。双金属铆钉是专为钛合金结构和复合材料剪切结构设计的专用紧固件，其杆身强度高，尾部塑性好，可代替剪切式钛高锁紧螺栓，铆钉和钉尾接头表面位于最大夹层夹层中；空铆钛钽材料，双面埋头形式，铆接后可保证飞机的气功性能。当铆接时，需要特殊设备来扩大空尾。铆接力小，不会对复合材料造成损伤。它主要用于控制表面等结构。

3.2螺栓紧固件

用于复合结构的开放区域的螺栓紧固件主要包括钛合金螺栓/自锁螺母，钛合金高密封螺栓/高密封螺母和涡流2型螺栓紧固系统，所有这些都是必需的在安装过程中。进行力矩控制是为了避免连接后复合材料承载力的下降。

对于复合结构中钛合金螺栓/自锁螺母的安装，由于复合材料的承载能力较差，因此在安装时必须使用扭矩限制扳手进行扭矩控制，以确保一致的安装扭矩和避免扭矩。对复合材料结构性能的不一致性。由于钛合金螺栓/自锁螺母必须使用扭矩限制扳手，因此其使用受到一定的限制。国外对复合材料结构的螺栓/螺母组件进行了重新设计，开发了Eddy2型螺栓紧固系统。紧固系统的螺栓部分通过在螺纹部分增加一个普通的高锁螺栓并在螺母尾部的外表面增加3个突出部分而制成。在安装过程中，螺栓和螺母通过专用工具拧在一起。当预紧扭矩达到一定值时，突起开始变形，并且变形的金属填充螺栓的螺纹部分的凹槽以形成可靠的锁定。当突起在工具的外表面上形成光滑的圆形表面时，工具自然地移除并完成整个安装过程，以实现螺栓与螺母之间的正向锁定并预张紧工件。

艾迪螺栓还可以安装艾迪挤压盖。与其他螺栓/断裂环盖或螺母紧固件系统相比，Eddy2型螺栓紧固系统重量轻，性能高，并且可避免卡扣。它被用于许多外国型号。钛合金高锁螺栓是由原Hi-shear公司开发的钛合金紧固件，用于飞机结构的双面安装。它具有预压，自锁，高疲劳寿命，抗震动和防松措施。，可与各种材质相结合，安装噪音小，安装方便等特点，分为

100°沉头，平头剪和拉伸钛高锁螺栓，主要应用于机身，机翼，垂尾，连接适用于平尾和方向舵等开放区域。

最早开发的钛合金高锁螺栓采用间隙式Hi-Lok钛合金高锁螺栓，随后开发出可用于金属结构的耐疲劳Hi-Tigue钛合金高锁螺栓，并在Hi-Lok/Hi-在Tigue钛合金高锁螺栓的基础上，开发出目前使用的Hi-lite轻量钛合金高锁螺栓。与普通高强度螺栓相比，这种紧固件可以有效地减轻10%以上的结构重量。在采用高锁螺栓的复合结构中，其配套的高锁紧螺母应采用防腐普通型，密封型，可调高锁紧螺母。

4.复合材料连接技术

复合材料机械连接技术已在国内多年研究和应用，普通钛合金螺栓，钛合金高锁螺栓等钛合金紧固件已广泛应用于复合材料结构中。该复合材料为层状结构，层剪切强度低，塑性差，抗冲击性差，开孔后应力集中系数高，连接后负载重新分布不均匀，使得最佳当前连接关节的强度。只能达到原始层压板的一半强度。在楔形，阶梯式，双面搭接和单面搭接接头中，两个接头的联合效率对于楔形和阶梯式接头是最高的，因为接头中的负载传输路径基本不变。面对面和单面搭接接头的接头效率最低。连接中应解决以下问题：

4.1连接器设计。

在正常情况下，应避免使用多排紧固件连接连接器。最好的连接器设计是使用两排紧固件完成接头连接。然而，当在复合结构中使用干涉连接技术时，可以使用多行紧固件来完成接头连接，因为干涉连接能够改善钉上的载荷分布并且可以降低外部和内部行的承载能力的指甲。不同之处在于提高内排钉的承载能力。

5.结束语

复合材料结构用紧固件广泛应用于飞机制造，航天航空，等高尖领域，其重要性不言而喻，其机械连接技术也是研究的重要领域，可以进一步提升我国科技水平。

参考文献：

[1]张全纯，汪裕炳，瞿履和.先进飞机机械连接技术.北京：兵器工业出版社，2016.

[2]牛春匀.飞机复合材料结构设计与制造.西安：西北工业大学出版社，2016.

[3]（苏）А.И.雅柯维茨等著.飞机长寿命螺栓连接和铆接技术[M].张国梁译.北京：航空工业出版社，2016.