关于复合材料结构用紧固件及机械连接技术探讨

关于复合材料结构用紧固件及机械连接技术探讨

1王智慧 2洪红莲 3陈震远 4叶飞 5孙闪

1.2.3.4温州市长江标准件有限公司 浙江温州 325000 5浙江瑞力汽车零部件有限公司 浙江温州 325000

摘要：本文对复合材料结构用紧固件类型分析，并对复合材料机械连接技术应用要点加以阐述，希望能为提升连接接头质量提供有效建议。

关键词：复合材料；紧固件；机械连接技术

引言：因复合材料性能优势，被大量投入在飞机零部件装配中，因复合材料结构特殊性，也极易促使复合材料结构在运用过程中出现诸多影响连接接头质量的问题。在明确各类型复合材料结构用紧固件性能前提下，如何有效应用机械连接技术，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1. 复合材料结构用紧固件类型分析

1.1铆接类紧固件

出于对复合材料结构抗冲击能力较差综合考虑，在利用铆接工艺紧固件干部时，需要特别注意因膨胀作用而导致孔边出现分层问题，难以确保接头质量。就铆接工艺而言，手工铆接工艺对一致性紧固件夹紧力矩的获取相对较难，因此，当规格超出4mm,一般情况下，将选择可控拧紧力矩的紧固件，相较于安装其他类型紧固件，铆钉安装操作简单，且质量又轻，被广泛应用于规格4mm以下的铆钉连接场合中。

例如，A286铆钉、钛铌铆钉以及双金属铆钉等是飞机复合材料结构中常常运用到的铆钉，其中F-14战斗机复合材料尾翼装配中大量A286铆钉投入使用；钛铌铆钉被运用于现下复合材料壁板件装配上，碍于复合材料板壁较薄，通过采用钛铌铆钉对其进行铆接，在一定程度上能够确保接头质量，在具体操作过程中，需要将垫圈加设在铆接形成头部位，避免孔壁分层问题出现；钛合金结构与复合材料承剪结构有专用紧固件，即双金属铆钉，由于杆部强度较高，且尾部可塑性佳，将抗剪型钛高锁螺栓进行替代，在铆接过程中，钉杆和钉尾所形成的交界面应在最大夹层内部^[1]。

1.2螺栓类紧固件

钛合金螺栓/自锁螺母、钛合金高锁螺栓/高锁螺母、艾迪2型螺栓紧固系统等主要使用在复合材料结构开敞部位，在具体安装操作时，为防止连接后的复合材料自身承载能力降低，作业人员需要对力矩加以控制，可有效规避此方面问题发生。

复合材料结构中安装钛合金螺栓/自锁螺母时，鉴于复合材料钉载分配能力低，为科学有效控制力矩，可采用限力矩扳手来辅助安装，既能获得一致性的安装力矩，又能最大程度上规避因不一致力矩而造成复合材料结构性能降低问题出现。在安装钛合金螺栓/自锁螺母时，碍于力矩控制因素制约，重新设计了复合材料用螺栓/螺母组件，艾迪2型螺栓紧固系统在此基础上形成；在实际进行安装时，选择专用工具来旋合螺栓与螺母，达到一定预紧力矩时，则会产生变形凸起，螺栓螺纹部分的凹槽将被变形凸起的金属填满，锁紧效果得到提升。

飞机双结构面安装中采用钛合金高锁螺栓，相较于其他紧固件，钛合金高锁螺栓具有自锁、抗疲劳、可控预载荷以及较强抗干扰能力等特征，加上可组合多种材料，且安装操作简单，被机身、机翼、垂尾、平尾、方向舵等开敞部位的连接中大量使用。据以往资料数据显示，钛合金高锁螺栓使用能够有效降低结构重量。

1.3单面连接类紧固件

当单面连接类紧固件在复合材料结构中使用时，不仅要具备金属结构所要求的基本性能以外，也要兼顾复合材料所需，如电位相容性、安装损伤等问题都需要进行解决与处理，螺纹抽钉和拉拔型抽钉是现阶段主要运用于复合材料结构的两种形式。大底脚单面螺纹抽钉主要为连接复合材料结构单面而进行设计的，既能与复合材料电位相容，又能有效避免孔壁分层问题，在安装完成后，可达到较强的锁紧效果，其拉脱强度也大大提升；基于金属结构的不锈钢拉拔型抽钉所形成的适用于复合材料结构的拉拔型抽钉，具有和大底脚单面螺纹抽钉同样的基本特性，但质量更轻，并且安装完成后，不需要再次进行铣平。

随着经济与科学技术不断发展与进步，复合材料性能也在逐渐改善，为更好地对某些特殊需求加以满足，螺纹抽钉重新设计，衍生了平断抽钉、干涉抽钉和主承力结构用抽钉，所涉及到安装工艺也得到完善，既保证了复合材料单面连接承载力，也提升了结构抗疲劳性，进而将单面连接类紧固件实际作用充分发挥。

2. 复合材料机械连接技术应用要点

现阶段国内对复合材料机械连接技术的应用，经多年应用研究与实践，普通钛合金螺栓和钛合金高锁螺栓等紧固件被大量运用在复合材料结构中，基于复合材料结构属于层状结构，该类型结构可塑性差、不耐冲击以及抗剪程度低，促使连接后的复合材料载荷再分配能力极大降低，其连接强度达不到预期标准。因此，应用复合材料机械连接技术需要以下几点：

1. 合理设计连接接头。无特殊要求前提下，主要选用两排紧固件的方式对接头进行连接，可确保接头紧固效果，但机械连接技术在复合材料结构中应用时，出于对复合材料结构特殊性综合考虑，应合理设计连接接头，一方面选用采用多排紧固件来连接接头，提升钉载分配能力，控制外排钉和内排钉间承载差值，以此来实现内排钉自身承载力增强^[2]。

2. 选用适宜的紧固件头形。紧固件头部形状极易受到复合材料接头强度影响，必须要根据实际情况，来选用适宜的紧固件头形。当紧固件直径大于主要结构与层压板厚度时，应选用薄头或大直径抗剪型紧固件，当紧固件直径小于主要结构与层压板厚度时，应选用抗拉头形紧固件。

3. 拧紧力矩。因复合材料载荷分配能力差，为避免产生较高集中应力，需要根据实际情况，所选用的紧固件均需要进行力矩控制，如复合材料结构中使用钛合金环槽铆钉、大底脚钛合金抽钉等紧固件时，为避免连接松弛或拧紧力矩过强而导致复合材料结构受到损坏，通过使用上述可控力矩紧固件，能够解决此方面问题。

4. 控制制孔精度。为了确保安装后复合材料结构和性能均达到使用标准，并减少螺栓杆对孔壁的冲击损伤程度，需要根据实际情况，选择合适的配合方式来控制制孔精度，进而达到最佳制孔精度，强化复合材料耐冲击能力。

结束语：综上所述，质量轻、高强度、耐腐蚀等是复合材料最为明显的特征，被目前先进民用、军用飞机机体结构制造中大量运用，成功帮助机体结构进行减重，但由于复合材料结构特殊性，在使用中极易出现诸多问题，加强机械连接技术应用，解决复合材料使用过程中出现的各种问题，从而保证连接接头质量。

参考文献：

[1]谭盼.航空航天紧固件用钛合金材料分析[J].科技经济导刊,2021,29(07):66-67.

[2]牛芳芳.复合材料连接技术研究现状[J].粘接,2021,45(01):58-60.