楊 昆劉 靜

（1.中航重機股份有限公司，北京 100022； 2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

美歐復(fù)合材料機械連接技術(shù)研究淺析

楊 昆1劉 靜2

（1.中航重機股份有限公司，北京 100022； 2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

簡單介紹了當代美國及歐洲對于復(fù)合材料機械連接技術(shù)研究的過程，對其3個階段重點研究內(nèi)容和特點進行了分析，對于我國復(fù)合材料機械連接技術(shù)研究具有一定的借鑒與指導(dǎo)作用。

復(fù)合材料；機械連接技術(shù)；美國及歐洲

在飛機裝配中通常有機械連接、膠結(jié)和焊接等連接方式。機械連接主要包括螺栓連接和鉚釘連接，多用于傳遞較高載荷或疲勞壽命要求較高的部位。機械連接具有連接可靠、工藝簡單、可以反復(fù)拆卸等特點成為飛機裝配中的主要連接方式，約占飛機結(jié)構(gòu)連接總量的70%以上。據(jù)統(tǒng)計，通常一架飛機上用于機械連接的緊固孔多達幾十萬～幾百萬個。大量的緊固孔是飛機結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中的薄弱部位，所以在復(fù)雜交變載荷下，機械連接部位往往會發(fā)生疲勞破壞，是服役飛機中損傷最普遍的形式之一。通常在飛機全部故障總量中，機體損傷的故障數(shù)量一般占12%～30%。但是，因為機載成品系統(tǒng)在發(fā)生故障后能用新的產(chǎn)品代替，所以，飛機機體的壽命就決定了其飛行總壽命。而在機體破壞中，疲勞失效引起的占80%以上，其中多達75%～80%的飛機機體疲勞失效事故起因于結(jié)構(gòu)的機械連接部位。因此，機械連接的壽命一定程度上決定了飛機飛行壽命[1]。

復(fù)合材料由于其具有比強度高、比剛度高、疲勞壽命高、耐腐蝕等優(yōu)點，目前已經(jīng)被大量應(yīng)用于各類先進航空飛行器。例如，美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機采用復(fù)合材料用量的比重達35%。美國B787夢幻客機上采用的復(fù)合材料用量的比重也達到了50% 。一些國家甚至規(guī)定20世紀90年代年代以后設(shè)計的飛機中，復(fù)合材料用量的比重少于20%時，該設(shè)計基本可以被推翻[2-3]。復(fù)合材料機械連接接頭在疲勞載荷作用下，主要有以下幾種破壞方式：拉伸破壞、剪切破壞、拉劈破壞、擠壓破壞、拉脫破壞及它們的組合形式。然而，復(fù)合材料機械連接的問題卻比金屬材料的機械連接問題復(fù)雜和嚴重的多。這主要是因為，一方面，復(fù)合材料各向異性，脆性較高，因此受力復(fù)雜；另一方面，復(fù)合材料重新分配載荷的能力非常小，所以不能像金屬那樣采用大量的近似設(shè)計[2-3]。

由此可見，復(fù)合材料機械連接的問題不但非常復(fù)雜，而且也非常重要。因此，自上世紀60年代復(fù)合材料逐漸開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域起，美國和歐洲針對復(fù)合材料長壽命、高可靠性機械連接技術(shù)開展了長期、大量的科學(xué)技術(shù)研究，主要分為以下3個階段。

1 1960-1989年美歐復(fù)合材料機械連接技術(shù)研究情況

在上世紀60年代至90年代期間，主要是以美國空軍萊特航空實驗室（AFWAL）和美國國家航空航天局（NASA）為主，聯(lián)合各大航空公司、航空研究所針對復(fù)合材料機械連接開展了諸多較為詳細的技術(shù)研究項目，如表1和圖1所示[2,4,5]。這些研究項目通常首先對機械連接系統(tǒng)進行二維力學(xué)建模和解析數(shù)值分析，初步形成一套近似的設(shè)計方法和理論來設(shè)計和預(yù)測機械連接強度和疲勞壽命；然后通過大量系統(tǒng)的力學(xué)試驗來檢驗和修正所提出的分析方法、模型及理論，從而最終形成一套較有效的指導(dǎo)復(fù)合材料機械連接設(shè)計、制造和應(yīng)用的指導(dǎo)規(guī)范和標準，如圖1所示。該階段復(fù)合材料機械連接主要應(yīng)用在飛機的次承力結(jié)構(gòu)件上，且用量較少。例如在美國F-15鷹式戰(zhàn)斗機，波音777客機的尾翼、整流罩上應(yīng)用的復(fù)合材料用量的比重通常在10%以內(nèi)。

表1 復(fù)合材料機械連接主要研究項目

圖1 復(fù)合材料二維力學(xué)模型分析及試驗研究

2 1990-2009年美歐復(fù)合材料機械連接技術(shù)研究情況

在上世紀90年代至本世紀前10年期間，針對前一階段復(fù)合材料機械連接設(shè)計由于多依靠設(shè)計者經(jīng)驗、近似理論及大量驗證試驗而導(dǎo)致效率低、成本高、安全性差的問題，美歐各國都開展了以降低復(fù)合材料機械連接系統(tǒng)成本和提高效率的多個項目研究，如表2和圖2所示[6-7]。這些研究項目主要采用先進的計算機有限元技術(shù)，對航空結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料機械連接系統(tǒng)通過三維建模和仿真分析的方法進行優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測，大量縮減試驗驗證數(shù)量，提高機械連接系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和預(yù)測的準確性，從而達到提高效率和降低成本的目的。這個階段復(fù)合材料機械連接技術(shù)開始應(yīng)用于飛機的主承力結(jié)構(gòu)件上，而且用量大幅增加。如在美國V-22魚鷹式傾轉(zhuǎn)旋翼機上的復(fù)合材料用量比重達到50%，歐洲空客A380空中客車寬體客機上的復(fù)合材料用量比重達到25%，并且開始應(yīng)用于中央翼盒等主承力結(jié)構(gòu)件上。

表2 復(fù)合材料機械連接主要研究項目

圖2 復(fù)合材料機翼螺栓連接三維模型分析及試驗研究

同時，為了進一步降低復(fù)合材料使用成本以及提高其連接壽命和可靠性，2007年美國國防部發(fā)起了“低成本復(fù)合材料計劃”（簡稱CAI）[8]。該研究項目表明采用膠結(jié)連接相對于機械連接有以下3方面優(yōu)勢：①緊固孔數(shù)量大幅降低，提高了裝配效率；②避免了緊固孔周邊應(yīng)力集中，有利于提高機體疲勞壽命；③緊固件使用數(shù)量大量減少，有效降低飛機重量，提高飛行性能。盡管膠結(jié)連接技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于美國C-17環(huán)球霸王大型戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)運輸機、F-18大黃蜂戰(zhàn)機和RQ-4A全球鷹無人機的部分組件連接，但是美國國防部仍然對于該項技術(shù)保持謹慎的態(tài)度。雖然目前該技術(shù)未能廣泛應(yīng)用和推廣，但是為低成本復(fù)合材料連接技術(shù)的發(fā)展提供了新的發(fā)展思路和方向。

3 2010至今美歐復(fù)合材料機械連接技術(shù)研究情況

雖然美歐等國對于復(fù)合材料機械連接技術(shù)的研究已經(jīng)近60年，但是隨著新材料特性和飛機性能要求的不斷提高，目前依然存在以下主要難題[9]：①建立有效的三維損傷模型。該模型的建立可以模擬各種損傷在層合板中的擴展。通過分析損傷的形成、損傷模式以及損傷擴展規(guī)律有助于從根本上找到提高連接系統(tǒng)可靠性的方法。②建立有效的失效準則。目前通過數(shù)值模擬方法準確地預(yù)測復(fù)合材料失效是一個巨大的難題，模擬材料微觀結(jié)構(gòu)的改變以及這些改變造成材料性質(zhì)的變化需要深入研究。NASA有報告指出：即使是最簡單的單向鋪層所受的面內(nèi)載荷，現(xiàn)在已有的失效理論還是無法準確地描述失效狀態(tài)并做出準確的失效預(yù)測。③深入研究累積損傷理論。建立失效材料的物理模型是剛度退化的依據(jù)，特別是裂紋密度增長規(guī)律的研究工作以及裂紋對壓縮性能的影響，這需要進行大量的試驗為依托。

目前，隨著現(xiàn)代計算化學(xué)、計算材料學(xué)、計算力學(xué)以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，為解決以上諸多難題提供了更加有效的方法和工具。如今NASA正在開展一系列更加深入的基礎(chǔ)科學(xué)研究[9]，試圖針對復(fù)合材料建立“化學(xué)量子結(jié)構(gòu)-微納米結(jié)構(gòu)-宏觀力學(xué)結(jié)構(gòu)”的多尺度模型，從而將微觀結(jié)構(gòu)中分子裝配的定性預(yù)測與宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)的定量預(yù)測有機地聯(lián)系起來，最終實現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)初始失效的超精準預(yù)測，如圖3所示。這是一個多學(xué)科交叉的科學(xué)難題，但是隨著復(fù)合材料多尺度模型和超精準失效機理的建立，必將極大地提高復(fù)合材料連接技術(shù)水平和飛機整體飛行壽命。

4 結(jié)論

圖3 復(fù)合材料多尺度模型分析

綜上所述，自上世紀60年代復(fù)合材料逐漸成熟并開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域起，美國及歐洲針對復(fù)合材料機械連接技術(shù)就開展了長期、大量的科學(xué)基礎(chǔ)研究，從而為各類高性能航空器的長壽命、高可靠的機械連接提供了較充分的理論、方法、規(guī)范和標準。同時，美國及歐洲對于復(fù)合材料機械連接技術(shù)的研究情況對于我國該技術(shù)的發(fā)展具有一定參考和借鑒作用。

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（編輯：雨晴）

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1003–6660（2014）05–0053–04

10.13237/j.cnki.asq.2014.05.015

[收修訂稿日期] 2014-06-23