复合材料结构的干涉配合铆接

复合材料结构的干涉配合铆接

王传奇

海军驻哈尔滨地区航空军事代表室黑龙江省哈尔滨市150060

摘要：干涉配合用于金属结构能成倍地提高结构疲劳寿命，已经成为结构延寿的主要方法之一。随着实践经验的丰富，复合材料的干涉配合研究也逐渐开展和深入。在实际生产中目前复合材料结构仍然不得不大量采用间隙配合，限制干涉配合，即使采用干涉配合，因复合材料层间强度低，也只能采用较小的干涉量。因此复合材料干涉配合强化机理的研究具有重要意义。

关键词：复合材料；结构；干涉配合铆接；

复合材料具有比强度和比刚度高等优点，已得到广泛应用。然而复合材料层间强度低，抗冲击能力差。和金属结构相比，连接是复合材料结构的薄弱环节，结构破坏的60%～80%发生在连接处。干涉配合用于金属结构能成倍提高结构疲劳寿命，已成为结构延寿的主要方法之一。

一、影响复合材料结构疲劳强度的主要因素

在实际生产中影响复合材料结构疲劳强度的因素非常多，本文主要考虑应力集中与残余应力对复合材料结构疲劳寿命的影响。

1.应力集中的影响。应力集中是影响结构疲劳强度最重要的因素，而且由于结构加工中不可避免会出现材料局部不连续，所以应力集中是一个普遍现象。复合材料由两种或两种以上性质不同的材料组成，具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计等优点。但是由于其各向异性、非线性以及复杂性等力学特点，致使复合材料强度理论的研究一直停留在假设与实验阶段。为了深入研究应力集中对复合材料结构疲劳寿命的影响，引入了现在复合材料强度理论研究中被普遍接受模型（又称为修正的剪滞模型）。根据该模型，树脂基复合材料在单向拉伸时，由于其破坏往往始于某些"弱"纤维（带缺陷的纤维），当一根或数根断裂形成裂纹后，在其周围产生局部应力扰动，邻近纤维与基体受此扰动将将产生细观应力集中。采用有限元模拟与理论推导相结合的方式，分别计算了间隙配合形式与干涉配合形式下复合材料结构的有效应力集中系数。

2.残余应力的影响。通过对金属材料干涉配合强化机理的研究，认为使接头疲劳强度得到加强的原因之一是通过干涉配合后产生的残余应力。该残余应力以压应力的方式延缓了接头配合部裂纹产生与扩展，因而大幅度提高了结构的疲劳强度。采用有限元方法计算了干涉配合后复合材料结构的残余应力与工作应力，并对两种应力值进行了比较。

二、复合材料结构的干涉配合铆接

1.干涉配合连接技术。干涉配合连接方法主要有干涉配合螺接和干涉配合铆接。干涉配合铆接技术能够在一定程度上提高金属连接件的寿命，在金属件连接中已得到证实。复合材料由于层间强度低，将干涉配合铆接技术应用于复合材料结构件的连接，并保证复合材料连接不产生各种缺陷，一直是研究人员努力的方向。铆钉的变形主要集中于镦头和钉杆的变形，而钉杆的变形又受镦头变形的影响，将造成钉杆方向变形的不均匀，则产生的干涉量分布不均匀。为测量变形后铆钉钉杆的干涉量，通常采用3点测量法，然后取平均值，测量点位置，为便于比较，干涉量的值一般用相对干涉量来表示，即变形后铆钉杆的直径与初始孔径的差值与初始孔径值比值的百分比，其公式：相对干涉量=D-dd×100%。其中：D为变形后铆钉杆的直径；d为初始孔径。《航空制造工程手册》对不同铆钉铆接时的相对干涉量做了一些规定：普通铆钉干涉配合铆接时相对干涉量为0.8%~5%；无头铆钉干涉配合铆接时相对干涉量为1.5%~3%；冠头铆钉干涉配合铆接时的相对干涉量为0.6%~6%。然而对于铆接过程需采用特殊垫片的复合材料铆接的干涉量该手册没有做出相关规定。干涉量是干涉配合连接中最重要的工艺参数之一，干涉量的大小直接影响到连接件的强度及疲劳寿命。干涉量过大将对复合材料产生损伤，过小将起不到强化以及增加疲劳寿命的效果。为达到最佳的连接效果，则必然存在一最佳干涉量。最佳干涉量是指疲劳寿命增益最大的干涉量。干涉配合连接技术最关键的问题是如何控制相关的工艺参数以获得最佳干涉量。对碳纤维/环氧层合板与螺栓连接结构进行了疲劳试验。结果表明，适量的干涉能够提高疲劳寿命2~3倍。理论计算与试验分析得出最佳干涉量为2%，在该干涉量下静挤压强度能够提高8%~10%。这一结论对于碳纤维复合材料连接的研究是一个很重要的参考，在以后的研究中很多研究人员都以2%的干涉量作为参考标准。采用数值模拟与理论推导相结合的方法，研究结果表明，干涉配合连接时复合材料的最佳干涉量为1%~1.5%，在该干涉量下复合材料接头将获得较好的残余应力以及较小的应力集中系数。可知，采用传统铆接方法锤铆时，成形的铆钉呈锥形，钉杆膨胀很不均匀，沿钉杆方向干涉量差别较大。采用电磁铆接时，铆钉钉杆膨胀均匀，沿钉杆方向干涉量分布均匀。电磁铆接产生的干涉量较为均匀，干涉量基本在2%以下，而压铆形成的干涉量分布很不均匀。因此，电磁铆接是实现复合材料干涉配合铆接的有效方法。由以上分析可知，目前复合材料连接最佳干涉量的研究大多是通过复合材料板与螺栓连接疲劳试验获得的。这是由于复合材料与螺栓连接时干涉量可以通过控制孔径和螺栓直接来控制。而复合材料干涉配合铆接中最佳干涉量的研究还处于起步阶段，工艺参数对干涉量的影响规律还有待进一步深入研究。

2.复合材料连接干涉量控制。复合材料干涉连接具有提高疲劳寿命、改善钉载分配、抗雷击、水密和液密、安装减少密封剂等功能，根据有关资料介绍，复合材料干涉连接最大干涉量可取0.15mm，但在工程应用中既能满足性能要求，又容易实现操作的具体干涉量范围，需要通过研究获得。如果干涉量较小，则达不到预期效果，如果干涉量较大，不但安装不易实现，而且极易产生缺陷，因此需要进行不同干涉量的疲劳试验研究，根据结果确定制孔尺寸精度，并根据夹层做进一步调整，达到工程要求。试验采用了间隙连接、多组干涉量干涉连接进行双搭接接头的疲劳试验研究，接头疲劳寿命随着干涉量的增加而增加，当干涉量到达某一特定值时，接头疲劳寿命达到最大值，当干涉量继续增加后，接头疲劳寿命开始下降。从拟合图中可以看出最佳相对干涉量在0.5%~1.8%之间。在该干涉区间下，接头疲劳寿命可达到间隙连接时疲劳寿命的2倍以上，同时在干涉量为2%时接头仍具有较好的疲劳寿命。按有关资料介绍，复合材料用干涉紧固系统安装制孔公差为0.075mm，由于国外具有很高的轴加工精度，上述制孔公差带要求可以通过一次钻孔实现，因而国外紧固件实行基轴制装配。在干涉量范围的确定方面，根据截面不变原则，用以下公式确定干涉后能达到的衬套外径尺寸，分别进行最大实体和最小实体计算：（１）最大实体状态下干涉后的衬套外径，（２）最小实体状态下干涉后的衬套外径。将衬套膨胀前最大和最小外径、衬套膨胀前最大和最小内径、钉体杆部最大和最小外径相关数据分别代可得到干涉后衬套外径最大和最小理论数据，由于干涉量不可能为负值，并考虑疲劳曲线所得相对干涉量最低取值修正，同时通过接头疲劳试验修正了保证接头性能和可靠安装的干涉量范围，这个范围的确定将为复合材料紧固系统在复合材料主承力结构的应用奠定理论和应用基础。

结语：

目前，国内的研究主要采用试验方法进行单因素分析，而铆接过程工艺参数交互影响，各工艺参数与最佳干涉量的关系还有待进一步深入研究，同时，数值模拟技术将在今后的研究中发挥越来越重要的作用。为保证铆接质量，数字化、自动化、智能化将成为未来复合材料电磁铆接的发展趋势。

参考文献：

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