复合材料连接装配

1、复合材料由于复合材料的材料特殊性及成型工艺性，已被广泛应用于现代飞机结构件的制造上，且其用量有不断扩大的趋势，飞机结构复合材料化将从根本上改变飞机结构设计和制造传统。虽然大型化的复合材料成型设备可制造出集成化、整体化、大型化的飞机结构件，但由于结构设计、制造和使用维护等方面的需求，必须给出一定的设计和工艺分离面等，在这些部位会存在大量的连接件。复合材料连接技术复合材料连接主要可分为胶接，机械连接和二者兼有的混合连接等三种类型，其中机械连接主要指螺栓连接和铆钉连接，混合连接指胶铆或胶螺连接，胶接和机械连接是最常用的两种连接形式。一般来说，胶接适用于传递载荷较小的部位，机械连接用于传递较高载荷或强

2、调可靠性的部位，胶铆(螺)混合连接较少采用。复合材料连接技术 先进的复合材料连接技术 自动钻铆技术自动钻铆系统结构多样、连接方法多样，但单对铆接过程而言，按照铆钉的结构形式，可以分为无头铆钉铆接工艺和有头铆钉铆接工艺 2 种。 电磁铆接技术电磁铆接，亦称应力波铆接，可替代大功率压铆设备，进行难成形材料、大直径、高强铆钉及厚夹层的铆接，作为铆接难成形材料铆钉的一种特种工艺方法己在产品制造中发挥了重要作用。应力波铆接属于短历时高速成形，铆钉在很短的时间（一般为 200um 左右）内完成塑性变形，钉杆的膨胀比较均匀，能在复合材料结构上形成比较均匀的干涉量，减少安装损伤，提高接头的疲劳寿命，有传统铆接

3、方法无法比拟的技术优势 干涉配合连接所谓干涉配合，就是过盈配合，施铆时钉杆膨胀，对孔壁造成径向压缩，钉孔受钉杆挤压而产生一种径向压力，这样就形成了干涉配合。复合材料干涉连接会造成分层和基体碎裂，因此复合材料零件不适合于干涉铆接。但在增加金属衬套之后，由于金属衬套分散了可能的集中载荷，使复合材料零件连接的干涉量可达到 0.15mm。因此，现在所用的复合材料的干涉连接，都在孔内增加了金属衬套。复合材料的干涉连接不能提高连接的疲劳强度，但具有连接刚度更好、使孔内局部分层和损伤的情况减少等优点。当与金属连接的时候，孔径相同时不用分别铰孔。 先进连接件飞机上有一些特殊的部位对连接有特殊的要求，如结构不开

4、敞、只能从单面，安装结构表面倾斜度大或者结构有密封要求等。针对这些情况，国内外研制出了一些特种紧固件，常见的有环槽钉、高锁螺栓、单面抽钉、螺纹抽钉等。先进复合材料结构连接大量采用钛合金、新型铝合金紧固件及干涉连接件。由于钛合金材料具有强度高、重量轻、与复合材料无电偶腐蚀等性能，随着复合材料的大量使用，钛紧固件的优势越来越突出。钛合金紧固件占螺纹紧固件的 90，Ti-6Al-4V 紧固件占钛合金紧固件的大多数。影响连接疲劳寿命因素 工作环境部件表面上气流引起的载荷，结构重力引起的载荷发动机工作引起的载荷当飞机超音速飞行时，由于空气动力还会产生引起热应力的热载荷。气候温度变化空气湿度和大气压力的变

5、化 钉孔和螺栓孔的精度对连接件疲劳寿命的影响铆钉孔和螺栓孔的制造精度是指孔的圆柱几何形状的正确程度。只有孔的圆柱几何形状接近理论值时，铆钉和螺栓安装后才不至于受到其他附加弯曲应力、挤压应力等的影响而降低其静强度和动强度。 钉孔和螺栓孔的表面粗糙度对连接件疲劳寿命的影响影响铆钉孔和螺栓孔表面粗糙度的因素很多，如，切痕相对外载荷作用的方向引起的划伤大小、表面波纹的平均值、孔表面的显微硬度、残余工艺应力的大小、孔表面冷做硬化层和残余工艺应力层的深度等。复合材料连接失效形式（a）零件剪切破坏，可能由于边距不够或在载荷方向的纤维比例过大，使垂直于载荷方面强度不够。（b）零件断裂破坏，可能宽度不够或在垂直

6、于载荷方向的纤维比例过大，使载荷方向的强度不够。（c）零件角破坏，可能边距不够或 45 方向纤维少。（d）零件孔边破坏，孔周分层及基本压碎，这是 6 种损坏形式中可能危害最小的一种。（e）紧固件拉脱，可能由于锪窝太深（一般窝深不能超过总厚的2/3，剩余部分不能小于 0.5mm）或钉头太小；装配间隙没有处理好。（f）紧固件失效，钉的夹紧长度选择不当；夹紧力不够；装配间隙没有处理好。国外研究现状国外对复合材料连接进行了大量的研究， D.E.FOX， K.W.Swain使用试验分析螺栓连接的静强度特性Mc.Carthy等对螺栓一螺栓孔间隙做了一定的研究工作，分析了间隙对于多钉载荷分配、挤压强度等多项

7、指标的影响。Alaattin Akta，Heung-JoonPark分析了铺层顺序对于螺栓孔强度的影响Sun等通过试验和数值模拟分析了螺栓预紧力对螺栓孔挤压强度的影响Collings研究了铺向角、厚度、夹紧力以及W/D， E/D， t/d的影响。机械连接中几何参数的选择Matthews采用试验方法研究了单钉与多钉接头，结果表明:接头越复杂，采用载荷/钉表示的强度越小Whitney和Nuismer提出采用特征长度法计算连接强度，Chang等人在此基础上对特征长度法给予发展。特征长度法仍被用于复合材料接头破坏分析特征长度确定方式按余弦变化的特征曲线R t- 拉伸特征尺寸；r0 - 孔半径；Rc - 压缩特征尺寸。Gamble 等利用ABAQUS软件的壳单元发展了一种三维模型，采用改进的Hill破坏准则，预测了单个铺层内的纤维断裂、基体开裂和分层，再将这些准则应用于铺层间的树脂层来预测层间分离。失效判据Camanho等采用三维有限元模型，利用ABAQUS软件对复合材料层合板螺栓连接接头的分层损伤进行了预测，结果表明接头的预紧力以及垫片与层合板之间的摩擦力对损伤的产生及增长有很大的影响。Lin等采用MARC有限元分析软件，考虑到多孔对接头的影响，对单搭接层合板接头强度进行了分析。Tong针对不同的端部约束，对双搭接连接