HB7709-2002飞机复合材料结构机械连接设计要求.pdf

H日 中华人民共和国航空行业标准 F L 1 5 6 0MB 7 7 0 9一2 0 0 2 飞机复合材料结构机械连接设计要求 D e s i g n r e q u i r e me n t s o f m e c h a n i c a l l y f a s t e n e d j o i n t o f c o m p o s i t e s t r u c t u r e f o r a i r p l a n e 2 0 0 2 一1 1 一2 0 发布 2 0 0 3 一0 2 一0 1 实施 国防科学技术工业委员会发 布 HB 7 7 0 9一 2 0 0 2 目次 前言 ， ， II 1 范围 ， 1 2 规范性引用文件 . ， ， . . . . . ， . . . . . . . . . 1 3 术语和定义 ， . . . . . . . . . . . . . ， . 1 4 一般要求 ， ， ， 2 4 . 1 连接设计特 点 ， ， ， . . . . . . . . . ， . 2 4 . 2 连接设计一 般要求 ， ， 2 4 . 3 许 用 挤 压 应 力 的 确 定 原 则 ， . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 . 4 连接防腐要求 . . . . 2 5 详细要求 ， ， ， ， 2 5 . 1 连接区的铺层 设计要求 ， ， ， ， . . . . . ， 二2 5 . 2 连接形式要求 . . . . . . . . . ， . . 3 5 . 3 紧固 件的要 求 ， ， . . . ， 4 5 . 4 连接区设计要求 ， ， ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 HB 7 7 0 9一 2 0 0 2 前言 本标准由中国航空工业第一集团公司提出。 本标准由中国航空综合技术研究所归口 。 本标准起草单位: 中国飞机 强度研究所、 中国 航空综合技术研究所、 中国 航空工业第6 0 1 研究所、 中 国航空工业第 6 1 1 研究所和中国航空工业第 6 0 3 研究所。 本标准主要起草人: 谢鸣九、 何正忠、 汪海、 陈业标、 窦润龙。 1 1 1 3 7 7 0 9一 2 0 0 2 飞机复合材料结构机械连接设计要求 范 围 本标准规定了飞机复合材料结构机械连接的设计要求。 本标准适用于飞机的各 类增强纤维巾寸 脂基复合材料结构的机械连接及金 属与复合材料结构的机械 连接; 直升机上类似的复合材料结构的机械连接可参照使用。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注明日期的引用文件， 其随后所有 的修改单( 不包括勘误的内容) 或修订版均不适用于本标准， 然而， 鼓励根据本标准达成协议的各方研究 是否使用这些文件的最新版本。 凡是不注日 期的引用文件， 其最新版本适用于本标准。 H B / Z 3 2 2 一 1 9 9 8 军用飞 机复合材料 结构设计指 南 3 术语和定义 H I习 Z 3 2 2 一 1 9 9 8 确立的以 及下列术语和定义适用于本标准。 3 . 1 机械连接 m e c h a n ic a l l y f a s t e n e d j o i n t 用机械方法将两个或多个被连接构件连接在一起。 3 . 2 破坏载荷 f a i l u re l o a d 连接构件能够承受的最大载荷。 3. 3 挤压载荷 b e a r i n g l o a d 通过紧固件作用于连接构件挤压表面的总载荷。 3 . 4 旁路载荷 b y p a s s l o a d 多排紧固件连接构件中绕过紧固件的载荷。 3 . 5 挤压应力 b e a r i n g s t r e s s 作用在单位挤压面积上的挤压载荷， 等于挤压载荷除以挤压面积， 挤压面积为孔径乘以被连接构件 的厚度。 3. 6 挤 压强度 b e a r in g s t re n g t h 连 接构件能够承受的最大挤压应力， 等于 破坏载荷除以 挤压面积。 3 . 7 初始挤压失效应力 i n i t i a l f a i l u re b e a r i n g s t r e s s 指载荷一位移曲线上第一个拐点或者某个挤压变形量对应的挤压应力。 3 . 8 许用挤压应力 a l l o w a b le b e a r i n g s t r e s s HB 7 7 0 9 一2 0 0 2 设计载荷下允许使用的挤压应力。 4一般要求 4 . 1 连接设计特点 复合材料与金属材料相比， 具有各向异性和脆性等特点; 因此， 机械连接设计应特别注意以下几点: a ) 多排紧固件连接各钉孔的载荷分配更不均匀， 连接破坏时， 基本层压板的应变和应力较低; b ) 连接强度与材料、 铺叠方式、 连接几何形状参数、 载荷方向和环境影响等多种因素密切相关; c ) 连接的失效模式多且预测强度较困难; d ) 被连接构件的承载能力不随着端距的增大而成比例增加。 4 . 2 连接设计一般要求 机械连接设计一般应遵循以下基本原则: a ) 连接的几何尺寸和铺层设计应满足强度要求， 设计载荷下不能超过许 用挤压 应力; b ) 尽可能采用双剪连 接形式; c ) 紧固件应承受剪切， 避免受拉和弯曲; d ) 尽可能减轻重量和降低成本; e ) 满足抗电腐蚀要求; f ) 考虑使用环境条件的影响和特殊要求。 4 . 3 许用挤压应力的确定原则 为保证结构的完整性， 许用挤压应力的确定应遵循以下原则 : a ) 许用挤压应力一般不应大于初始挤压失效应力。 初始挤压失效应力与挤压强度的比 值大小与 材料体系和铺叠方式有关。一般来说， 该比值随 士 4 5 。 层比例的增加而减小。对于符合本标准 5 . 1 b ) 要求的 层压板， 该比 值一般在0 . 5 5 - - 0 . 6 6 之间; b ) 许用挤压应力还应考虑连接的重要程度、 结构特点、 载荷种类、 耐久性和使用环境等因素的影 响。 4 . 4 连接防 腐要求 连接设计应采取以下防腐措施: a ) 选 用材料应匹配， 可从根本上防止电腐蚀的发生; 与碳纤维肺 对 月 旨 基体复合材料匹配的金属是钦 合金和不锈钢等; b )从设计上采取措施， 防止电 解质溶液 渗人和 积聚; c ) 对不 宜直接接触 又必须相连的 材料， 应采取垫玻璃布、 涂胶或涂漆等防腐措施; c ) 连接中 可采用湿装配， 即连接时在紧固 件上或连接孔中涂胶进行装配， 除隔 离外还会起到密封 作用。 5 详细要求 5 . 1 连接区的铺层设计要求 为提高复合材料机械连接的强度和柔性， 连接区的铺层设计一般应遵循以下原则: a ) 采用均衡对称铺层; b ) 层压板 铺层比 例一般要求如 下: 士 4 5 。 层应不低于4 0 %; 0 。 层应不低于3 0 %; 9 0 * 层至少为1 0 9 6 ; c ) 相同 方向 的铺层应尽可能地均匀散开铺叠， 如必须连续铺叠时， 在同 一方向的 铺层应避 免多于4 层; d )对非常 薄的层 压板连接区应局部加厚， 以 避免D / t 4 ( 其中， D为孔径， t 为 板厚) 。同时， 应 遵循一 般规则D Z t )1 ， 以避免紧固件破坏; e ) 应避免在连接区拼接纤维。 1 1 B ; 0 s 一 2 0 0 2 5 . 2 连接形式要求 5 . 2 . 1 连接几何尺寸 要求 机械连接几何尺寸要求如下: a ) 为防止复合材料机械连接出 现低强度破坏模式， 被连接件的 几何参数一般应按表1 选取， 几何 参数的 定义参见图1 ; b ) 连接的几何尺寸应考虑修理的需要， 即修理时允许采用直径加大一级的紧固件。 表 1 机械连接中几何参数的选取 厂 百l9一L II A 障 一下 一 丽 禽 辣 度 一、 一 S 些 ) ) 妻 5 ( r I D ) 乡 4 ( S W / D ) ) 2 . 5 ( e 1 D ) 多 3 ( D l t ) 1 毛 D l t 毛2 ( m m ) H 毛 0 . 7 t 寸+ 打 份自 一 牡 + + + + + + 图1 机械连接几何参数定义 5 . 2 . 2 连接形式的选取原则 复合材料机械连接形式的选取应遵循以下原则: a ) 连接设计宜采用双剪连接形式， 尽可能避免采用连接效率较低的不对称单剪连 接; b ) 对于单剪连接形式， 宜采用多排紧固件连接， 排距应尽可能大些， 以 使偏心载荷引起的弯曲 应力 降低到最小。 但还应注意到， 当用增加层压板局部厚度的方法来增强不对称连接时， 随板厚的 增加， 由偏心导致的附加弯曲应力也随之加大， 在相当 程度上又抵消了构件厚度增加所起的作 用 ; c ) 应尽量采 用不多于两排紧固件的连接 形式， 以避免碳纤维树 脂基复合材料多排紧固件连接载荷 分配的严重不均。钉孔布置应尽可能平行排列; d ) 应尽可能采用斜削型连接( 参见图2 ) , N 便改善多排紧固件连接载荷分配的不均匀性， 提高连 接的承载能力。斜削型连接设计的关键是斜削搭接板厚度和紧固件直径的选取。 HB 7 7 0 9一 2 0 0 2 图 2斜削型连接 5 . 3 紧固件的要求 5 . 3 . 1 紧固件直径的选取原则 紧固件直径的选取应遵循以下原则: a ) 应保证被连接构件有足够的挤压强度; b )应正确 考虑紧固件的直径与板厚之比， 以 保证紧固 件具有足够的强度; c ) 紧固件应有足够的刚度， 以便防止由于紧固件的严重弯曲， 明显降低层压板的许用挤压应力。 5 . 3 . 2 紧固件的选取原则 紧固件的选取应遵循以下原则: a ) 传载较大的结构连接部位应采用螺栓; 应尽可能采用钦合金和不锈钢螺栓; b ) 在碳纤维复合材料结构中， 应避免碳纤维 层压板与铝合金( 无涂层) 、 镀锌或镀锅的 钢件等直接 接触， 以防产 生电 腐蚀。如必 须使用时， 应加绝缘层和采用钦合 金或不锈钢紧固 件， 并进行湿装 配。 碳纤维复合材料与不锈钢同 时使用时， 应采取防腐措施， 而钦合金则可直接使用而不需任 何防护; c ) 应尽可 能采用受拉型紧固件， 因受剪型紧固件端头较小， 容易转动， 可能引 起孔或构件与钉头接 触面的 损伤; d ) 对于一般部位， 螺栓与孔的配合精度不应低于H 9 / h 9 ， 重要接头应采用更精密的配合。 在没有 完全掌握干涉配合装配工艺技术时， 不得采用干涉配 合或过渡配 合; e )应优先 选用钦合金、 纯钦和钦妮等铆钉。 应尽量避免使用铝合金及低合金钢铆钉。A 2 8 6 合金 和蒙乃尔合金的比 强度较低， 应少用; f ) 应优先选用双金属铆钉、 拉铆型环槽钉和抽芯铆钉， 以避免复合材料板受撞击和孔壁因钉杆的 胀粗而受损; 铆钉直径一般不应超过4 m m， 否则不但成型困 难， 也容易 损伤复合材 料板; 9 ) 在可拆卸的 非受力 或次受力构件以 及某些内 部构件上， 为降低重量和成本， 也可使用少量的铝 合金铆钉， 但铆接必须湿装配， 并 采取严格的防电 腐蚀措施。 5 . 3 . 3 螺栓拧紧力矩的要求 应适当拧紧螺栓， 以 便提高连 接强度。 如无特殊规定， 螺 栓的拧紧 力矩一般可 按表2 选取。 宪 夕a悴4 r紧力矩单位为牛顿米 螺 纹 直 径 螺母类型 厚 型 薄 型 所有各型 沉头拉伸型、 六角型 所有各型 沉头剪切型 M 5 3 -5 2- 32 - 3 M6 5 -83 - - 5 3 - 4 M8 1 0 - 1 56 一1 1 1 0 - 1 1 M 1 0 1 8 -2 51 2 - 1 9 1 1 一 1 2 M 1 2 2 5 - 3 0 HB 7 7 0 9一 2 0 0 2 5 . 4 连接区设计要求 多排紧固件连接设计应遵循以下原则: a ) 连接区 层压板的纤维铺叠原则是使连 接区的承 载能力最大; c ) 应采取 变钉径变厚度等 措施降 低多 排紧固 件连接中 最大承载孔的挤压应力， 以 便提高其承载能 力; 应充分考虑到旁路载荷对连接强度的影响; c ) 应尽量使被连接构件的刚 度接近， 从而使多 排紧固 件连接构件中 各钉的 承载比 例更加均匀; d )