第八章 連接設(shè)計
第一節(jié) 機械連接設(shè)計
機械連接由于具有可靠性高、便于重復(fù)拆裝、并對環(huán)境和疲勞影響不敏感等特點，而成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)最常用的連接方式。如 "—垂尾、 "—%機翼、 &’—%(機翼和前機身， (—水平安定面和 "—))機翼等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)均采用了以機械連接為主的連接方式。 &’—%(復(fù)合材料機翼有 *+++個緊固件、前機身有 ),-+個緊固件， "—))復(fù)合材料機翼使用緊固件多達 ,+++個。
一、機械連接類型的選用與連接破壞模式
（）機械連接類型的選用
機械連接可按緊固件劃分連接類型。機械連接通常采用的緊固件有 ,種：銷釘、螺釘、鉚釘和螺栓，對有特殊連接要求部位，采用特種緊固件。銷釘多用于耳片接頭，對飛機結(jié)構(gòu)零件緊固連接不適用。螺釘與層合板連接力小，連接不牢固，易松動，易從層合板中拉出，難以實現(xiàn)長期有效連接，在承載連接中一般不采用。
鉚釘連接選用鉚接是機械連接中工藝最簡單、成本最低、增重最少的連接方式。金屬結(jié)構(gòu)連接中，鉚接廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合材料延伸率小、層間強度低、抗沖擊能力低等弱點，使鉚接易引起復(fù)合材料層合板孔內(nèi)壁及表面層的損傷，同時鋁鉚釘與碳纖維復(fù)合材料有電偶腐蝕，因此，復(fù)合材料層合件鉚釘連接應(yīng)用受到限制。一般用于連接厚度大于 *..的層合件連接和復(fù)合材料件與金屬件傳載接頭連接。鉚釘一般為鈦合金釘。實心鉚釘連接強度高；空心鉚釘適用單面可達情況；對有外表面光滑要求部位采用埋頭鉚釘。
實心鉚釘連接時，釘桿有鐓粗，適當(dāng)控制釘桿與孔之間連接配合的過盈量，有利于提高連接強度和疲勞壽命以及連接密封。為此，在鐓頭端加一個孔內(nèi)徑較小的剛性金屬墊片來控制釘桿的膨脹量，并用壓鉚而不是錘鉚。某機全復(fù)合材料垂尾采用了這種鉚釘連接。主要參數(shù)：
純鈦鉚釘，直徑 / 0 *1 -..，孔徑 *1% 2+1+..，墊片內(nèi)徑 *1 2+1+..，鐓頭直 •,,,•
徑 " %&" ’())，鐓頭高 &。* %&"&+))。抽芯鉚釘、鈦鈮合金空心鉚釘、雙金屬鉚釘和空尾鉚釘?shù)刃滦豌T釘在鉚接后釘桿直徑基本不變，不會引起層合板開裂，現(xiàn)已推廣應(yīng)用。
螺栓連接選用需要重復(fù)拆裝和承載較大的接頭，大都采用螺栓連接。螺栓連接適合較厚的層合板連接，螺栓直徑 與連接厚度 ,之比約為 -"+。螺栓擰緊的預(yù)緊力可控制，明顯提高連接強度和連接可靠性。鈦合金螺栓，除普通六角形凸頭螺栓外，高鎖螺栓更常用。高鎖螺栓具有較高且均衡的夾緊力，有自鎖能力，可單面安裝，具有很好的機械性能，靜強度和疲勞強度均較好。
"特種緊固件連接選用按連接特殊要求專門設(shè)計研制的緊固件，以彌補鉚接和螺接難以實現(xiàn)或達不到要求的連接需求。常見的特種緊固件有鈦環(huán)槽釘、螺紋抽釘、干涉配合鈦環(huán)槽釘?shù)�，這些緊固件具有裝配力小、連接夾緊力可控、密封等優(yōu)點，而在復(fù)合材料連接中得到應(yīng)用。
（.）機械連接形式與接頭幾何參數(shù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機械連接形式主要有搭接和對接兩類，按受力分單剪和雙剪兩種，.雙剪接頭較單剪接頭為好，它可改善接頭受力不對稱的不利影響；連接強度可提高 .&/。
（0）機械連接破壞模式
機械連接有五種破壞模式：拉伸破壞、剪切破壞、擠壓破壞、劈裂破壞和拉脫破壞，前三種與金屬材料一樣，是基本破壞模式；后兩種對復(fù)合材料連接易出現(xiàn)。當(dāng)然，這五種破壞模式，還會發(fā)生組合破壞。
在上述五種破壞模式中，擠壓破壞為局部破壞，承載能力最高，因此，設(shè)計人員力求將連接結(jié)構(gòu)設(shè)計成僅發(fā)生擠壓破壞或以擠壓破壞為主的組合破壞模式。
二、機械連接設(shè)計一般原則與許用值
（）機械連接設(shè)計一般原則 應(yīng)滿足連接強度要求。連接幾何參數(shù)及鋪層的選擇應(yīng)盡可能保證連接接頭發(fā)生擠壓破壞，或以擠壓破壞為主的組合型破壞； 應(yīng)優(yōu)先選用螺接，盡量避免鉚接，推薦使用高鎖螺栓以及專門為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的胡克鉚釘、高鎖環(huán)槽鉚釘?shù)染o固件。 "應(yīng)滿足抗電偶腐蝕要求。緊固件材料與復(fù)合材料構(gòu)件要相容。復(fù)合材料應(yīng)使用鈦合金或不銹鋼緊固件，并采用涂以密封膠的濕裝配，以防止電偶腐蝕。
雙排以上的多釘連接，各排釘孔應(yīng)盡可能平行排列，此時疲勞強度較高；采用交錯排列，靜強度略高。斜削和階梯形接頭可改善多釘連接時釘載分配的不均勻性。 %連接區(qū)復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層比例， % +1層一般不少于 &/。連接孔處可適當(dāng)局部加厚。連接孔區(qū)附近還可采用局部軟化帶設(shè)計以提高接頭強度。
•+•
應(yīng)考慮使用環(huán)境條件的影響和特殊要求。如對結(jié)構(gòu)整體油箱區(qū)的緊固件應(yīng)采用密封措施（涂密封膠或加塑料帽套等）。
"應(yīng)盡可能減輕重量和降低成本；
制孔（鉆孔、鉸孔、锪窩）應(yīng)符合規(guī)范要求。
如果需要解決連接效率一重量一成本問題，就必須把連接和結(jié)構(gòu)件融為一體進行設(shè)計。（）機械連接設(shè)計許用值
機械連接設(shè)計許用值確定主要考慮多向?qū)雍习遽斂讛D壓變形，根據(jù)層合板螺栓連接擠壓強度試驗所獲得的載荷 "孔變形（ " %）曲線（直線段），經(jīng)統(tǒng)計分析確定。機械連接設(shè)計許用值一般要求達到 % &’（&&’）左右。這個值與層合結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值基本一致。若接頭區(qū)層合板設(shè)計不能滿足許用值要求，應(yīng)修改設(shè)計（一般是增加 ( &)*層）達到設(shè)計許用值要求。
三、機械連接接頭設(shè)計參數(shù)選擇
（+）鋪層比選擇
不同方向的纖維對機械連接強度的影響（作用）是不同的。多向?qū)雍习蹇墒共煌较蚶w維的連接作用優(yōu)勢互補，而獲得最好的連接強度。這里以 , (&)層板擠壓應(yīng)力與 ( &)*層所占 ’關(guān)系曲線說明 ( &)*層占 & -.’時，可獲得最高的擠壓強度。故機械連接設(shè)計一般原則規(guī)定，連接區(qū) ( &)*層一般不少于 &’，*層一般不大于 &’，/*層一般不少于 +’（有利于泊松比協(xié)調(diào)）。各方向纖維的鋪層順序應(yīng)均勻分散，不可成組鋪貼，以利于發(fā)揮不同方向纖維的連接作用優(yōu)勢互補。在實際連接結(jié)構(gòu)中，螺栓連接擰緊螺母后，預(yù)緊力抑制了層間應(yīng)力作用，故鋪層順序的影響可以忽略不計。
中國航空網(wǎng) m.k6050.com
航空翻譯 www.aviation.cn
本文鏈接地址：飛機檢測與維修實用手冊 2(32)
