第八章 連接設計
第一節 機械連接設計
機械連接由于具有可靠性高、便于重復拆裝、并對環境和疲勞影響不敏感等特點，而成為復合材料結構最常用的連接方式。如 "—垂尾、 "—%機翼、 &’—%(機翼和前機身， (—水平安定面和 "—))機翼等復合材料結構均采用了以機械連接為主的連接方式。 &’—%(復合材料機翼有 *+++個緊固件、前機身有 ),-+個緊固件， "—))復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，對飛機結構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。金屬結構連接中，鉚接廣泛應用。由于復合材料延伸率小、層間強度低、抗沖擊能力低等弱點，使鉚接易引起復合材料層合板孔內壁及表面層的損傷，同時鋁鉚釘與碳纖維復合材料有電偶腐蝕，因此，復合材料層合件鉚釘連接應用受到限制。一般用于連接厚度大于 *..的層合件連接和復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。某機全復合材料垂尾采用了這種鉚釘連接。主要參數：
純鈦鉚釘，直徑 / 0 *1 -..，孔徑 *1% 2+1+..，墊片內徑 *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等新型鉚釘在鉚接后釘桿直徑基本不變，不會引起層合板開裂，現已推廣應用。
螺栓連接選用需要重復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計研制的緊固件，以彌補鉚接和螺接難以實現或達不到要求的連接需求。常見的特種緊固件有鈦環槽釘、螺紋抽釘、干涉配合鈦環槽釘等，這些緊固件具有裝配力小、連接夾緊力可控、密封等優點，而在復合材料連接中得到應用。
（.）機械連接形式與接頭幾何參數復合材料結構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；后兩種對復合材料連接易出現。當然，這五種破壞模式，還會發生組合破壞。
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，設計人員力求將連接結構設計成僅發生擠壓破壞或以擠壓破壞為主的組合破壞模式。
二、機械連接設計一般原則與許用值
（）機械連接設計一般原則 應滿足連接強度要求。連接幾何參數及鋪層的選擇應盡可能保證連接接頭發生擠壓破壞，或以擠壓破壞為主的組合型破壞； 應優先選用螺接，盡量避免鉚接，推薦使用高鎖螺栓以及專門為復合材料結構設計的胡克鉚釘、高鎖環槽鉚釘等緊固件。 "應滿足抗電偶腐蝕要求。緊固件材料與復合材料構件要相容。復合材料應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。 %連接區復合材料構件的鋪層比例， % +1層一般不少于 &/。連接孔處可適當局部加厚。連接孔區附近還可采用局部軟化帶設計以提高接頭強度。
•+•
 
應考慮使用環境條件的影響和特殊要求。如對結構整體油箱區的緊固件應采用密封措施（涂密封膠或加塑料帽套等）。
"應盡可能減輕重量和降低成本；
制孔（鉆孔、鉸孔、锪窩）應符合規范要求。
如果需要解決連接效率一重量一成本問題，就必須把連接和結構件融為一體進行設計。（）機械連接設計許用值
機械連接設計許用值確定主要考慮多向層合板釘孔擠壓變形，根據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），經統計分析確定。機械連接設計許用值一般要求達到 % &’（&&’）左右。這個值與層合結構設計許用值基本一致。若接頭區層合板設計不能滿足許用值要求，應修改設計（一般是增加 ( &)*層）達到設計許用值要求。
三、機械連接接頭設計參數選擇
（+）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。多向層合板可使不同方向纖維的連接作用優勢互補，而獲得最好的連接強度。這里以 , (&)層板擠壓應力與 ( &)*層所占 ’關系曲線說明 ( &)*層占 & -.’時，可獲得最高的擠壓強度。故機械連接設計一般原則規定，連接區 ( &)*層一般不少于 &’，*層一般不大于 &’，/*層一般不少于 +’（有利于泊松比協調）。各方向纖維的鋪層順序應均勻分散，不可成組鋪貼，以利于發揮不同方向纖維的連接作用優勢互補。在實際連接結構中，螺栓連接擰緊螺母后，預緊力抑制了層間應力作用，故鋪層順序的影響可以忽略不計。
　
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