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

1、    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(duì)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(chǎng)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

2、，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(gè)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(duì)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

3、總飛行壽命。在機(jī)體遭到破壞時(shí)，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(mèng)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(shí)，當(dāng)復(fù)合材料使用比例低于20%時(shí)，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

4、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(gè)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(duì)于鉚接過程，由于手動(dòng)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(shí)，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(duì)于其他緊固件易于安裝。而且重量更輕，在某些場(chǎng)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(shí)也有應(yīng)

5、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(shí)，需要特殊設(shè)備來擴(kuò)大空尾。鉚接力小，不會(huì)對(duì)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

6、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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(gè)普通的高鎖螺栓并在螺母尾部的外表面增加3個(gè)突出

7、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(shí)，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(shí)，工具自然地移除并完成整個(gè)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(hào)。鈦合金高鎖螺栓是由原h(huán)i-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(dòng)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

8、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

9、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(gè)接頭的聯(lián)合效率對(duì)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(duì)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(shí)，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