趙洪偉

(1.中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065；2.西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710000)

1 引 言

飛機是一個極其復雜的系統(tǒng)，由各種材料、形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)組成。與連接過程相關(guān)的部分包括機頭、后機身、尾翼和機翼等，這些組件需要在生產(chǎn)的最后階段進行組裝。目前，鉚接仍然是主要的連接方式。在某些應用場景中，可以結(jié)合粘接和鉚接技術(shù)來提高連接強度，如機身與蒙皮之間的薄板粘接鉚接，面板框架蒙皮接合處的粘接鉚接，以及尾翼翼板中的薄板縱梁粘接鉚接[1]等。

為了深入了解鉚接缺陷，本文綜述了飛機工業(yè)中鉚接靜力失效研究的最新進展。首先分析了各種方法的特點和局限性，在此基礎(chǔ)上，詳細介紹了實際應用中的關(guān)鍵技術(shù)，包括理論研究、試驗研究的最新進展。最后，對未來的研究提出了建議。

2 鉚接接頭靜強度研究

2.1 傳統(tǒng)鉚接的靜強度

近年來，對鉚接接頭靜強度的研究主要集中在傳統(tǒng)鉚接接頭和新型鉚接結(jié)構(gòu)的影響因素上，包括鉚接混合接頭和電磁鉚接結(jié)構(gòu)。圖1所示為鉚接結(jié)構(gòu)靜強度影響因素之間的復雜關(guān)系。目前的研究主要集中在擠壓力對鉚釘安裝后殘余應力應變分布和二次彎曲應力的影響。Huan等[6]進行了單列埋頭鉚接搭接接頭的試驗，研究擠壓力對鉚接接頭靜態(tài)性能的影響。隨著拉伸載荷逐漸增大，接頭剛度逐漸變小，而擠壓力對接頭剛度的影響不顯著，但較大的擠壓力導致接頭靜強度減小。其原因是擠壓力越大，孔周殘余應力越大，孔周最大主應力由初始壓應力變?yōu)槔瓚?，隨后，靜強度變?nèi)酢?/p>

圖1 鉚接結(jié)構(gòu)靜強度影響因素之間的關(guān)系

擠壓力是影響鉚接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素。鉚接接頭靜力性能的一個結(jié)論是，較大的擠壓力導致接頭的靜態(tài)性能更好[7，8]。確定擠壓力值時，應綜合考慮鉚接接頭的靜強度。研究結(jié)果表明，隨著擠壓力增加，接頭的靜強度略有下降。試驗結(jié)果僅給出了定性的結(jié)論，擠壓力與靜強度之間的定量關(guān)系尚不清楚。在靜態(tài)受力狀態(tài)下，受力狀態(tài)下的靜態(tài)性能需要控制在一定的范圍內(nèi)。此外，還需要研究其他影響因素，如表面接觸。目前，擠壓力對接頭靜強度、載荷傳遞、孔周應力場趨勢以及拉伸載荷作用下二次彎曲應力的影響尚不清楚。

2.2 目前鉚接結(jié)構(gòu)靜力失效解決辦法

鉚接接頭靜強度失效的解決辦法主要從標準、預測模型、使用環(huán)境和混合接頭開展。標準是考慮工程應用給出的解決方案。預測模型是基于基礎(chǔ)理論和分析的鉚接結(jié)構(gòu)靜力破壞預測方法。使用環(huán)境是研究鉚接接頭外部試驗失效模式因素?；旌辖宇^是一種新的連接方式，是一種改善鉚接接頭靜態(tài)性能的解決方案。

為解決金屬鉚接接頭的靜態(tài)失效問題，制定了相關(guān)的靜強度設(shè)計標準。Manes等[5]認為，鉚釘和孔上(軸向載荷)給出的最大靜強度是金屬材料緊固件設(shè)計過程中的指導標準。

為預測鉚接接頭失效，提出了接頭的靜強度表征技術(shù)，特別是基于工程實際應用的半解析預測方法[4]。在這些半解析模型中，殘余應力、制造變量等設(shè)計參數(shù)起主導作用，應綜合考慮，并通過試驗獲得各種經(jīng)驗。如：(1)鉚釘固定時孔膨脹引起的板材殘余應力對接頭靜強度有顯著影響[4]；(2)擠壓力和公差補償了極限強度降低；(3)在FML中，薄板在承受較大變形的情況下，極限強度降低可達25%以上；(4)在薄板厚度與鉚釘直徑的小比值下，鉚釘在失效模式下的作用需要進一步重視。

除接頭因素的影響外，外載荷也被視為影響接頭靜強度性能的重要因素。在某些情況下，單鉚釘強度有限，無法滿足強度要求，因此混合接頭成為新型結(jié)構(gòu)連接。Chowdhury等[1]通過一系列試驗發(fā)現(xiàn)，混合接頭的好處大于粘結(jié)接頭和鉚接接頭的好處。此外，他們得出結(jié)論，相對較薄的結(jié)構(gòu)傾向于使用混合接頭連接，特別是在修復工作中。

雖然已引入了半分析預測模型等預測技術(shù)，但目前仍存在一定的局限性，總結(jié)如下：(1)目前的研究僅限于擠壓力對鉚釘安裝后殘余應力/應變分布和二次彎曲應力的影響。(2)擠壓力對接頭靜強度、荷載傳遞、孔周應力場趨勢和拉伸載荷作用下的二次彎曲應力的影響尚不清楚。(3)傳統(tǒng)鉚接工藝中影響靜強度的其它因素，如二次彎曲應力和載荷傳遞，沒有有效的研究。(4)新型接頭，即混合接頭和電磁鉚接接頭，其特性、影響因素、鉚接材料和鉚接工藝等方面的研究還不夠深入。

3 新型鉚接靜強度研究

3.1 新結(jié)構(gòu)

新結(jié)構(gòu)指的是混合接頭，如粘接鉚接接頭(如圖2所示)。與鉚接接頭相比，混合接頭優(yōu)勢較多，如連續(xù)密封能力、更高的強度、更高的剛度及更好的抗剝離和抗沖擊性能[11]。鉚接接頭的破壞過程呈非線性，只有在達到最大載荷后才會發(fā)生破壞。粘接的承載能力高于鉚接，與載荷呈線性關(guān)系，粘接接頭在達到最大載荷后直接失效。相比之下，混合接頭的承載能力高于鉚接接頭和粘接接頭，在達到最大承載能力后不會直接失效，因此具有兩種單一類型接頭的優(yōu)點。Chaudhari等[9]得出結(jié)論，與鉚接接頭和粘接相比，混合接頭能夠承受更高的載荷。將粘接后的混合接頭引入鉚接，其靜強度性能優(yōu)于單鉚接接頭。此外，在飛機結(jié)構(gòu)維修中，混合連接比粘接連接更有效。類似的結(jié)論也可以在其他文獻中找到[10]。

圖2 混合接頭實例

目前，混合接頭的應用僅限于飛機結(jié)構(gòu)維修，在飛機裝配和制造中的應用并不多[11，12]。此外，對混合接頭影響因素的研究較少，對混合接頭影響因素的研究還有待進一步深入。

3.2 新工藝和新材料

由于鈦合金和復合材料對強度重量比的要求很高，鈦合金和復合材料在航空工業(yè)中得到了廣泛的應用。新材料成形難度大，這給鉚接工藝帶來了挑戰(zhàn)。電磁鉚接技術(shù)，特別是低壓便攜式電磁鉚接機發(fā)展迅速，應用廣泛[3]。

鈦合金能夠顯著提高鉚接接頭的靜強度，考慮到鈦合金鉚釘難以成形，需采用電磁鉚接技術(shù)來實現(xiàn)鉚接成形[2]，電磁感應也能為鈦合金鉚釘?shù)某尚翁峁┳銐虻臄D壓力。圖3所示為電磁鉚接在鈦合金及復合材料結(jié)構(gòu)中的應用，傳統(tǒng)的鉚接工藝由于干涉的不均勻性，在鉚釘成形過程中容易造成復合材料結(jié)構(gòu)嚴重的分層損傷，限制了其在復合材料結(jié)構(gòu)連接中的應用。為了減少損傷，目前復合材料結(jié)構(gòu)主要采用螺栓連接而非鉚接，這導致結(jié)構(gòu)超重，成本提高。電磁鉚接具有干涉均勻的優(yōu)點，可以通過減少鉚接損傷來實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)的鉚接，顯著降低接頭的重量和成本。

(a)鈦合金鉚釘

(b)復合材料鉚接結(jié)構(gòu)圖3 電磁鉚接在鈦合金及復合材料結(jié)構(gòu)中的應用[2]

Zhang等[13]用F6 mm鈦合金鉚釘進行了電磁鉚接試驗，并分析了接頭的靜強度特性。高速變形的驅(qū)動頭分別能承受9.9kN的剪切載荷和12.5kN的拔出載荷，接頭具有較高的過盈配合質(zhì)量。電磁鉚接工藝可以在環(huán)境溫度下用于難變形材料鉚接[13]。

相關(guān)學者對新型材料和結(jié)構(gòu)接頭的靜強度進行了深入研究。然而，由于鉚接中引入了新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，對影響接頭靜強度的因素還需要進行定量的研究。

4 總結(jié)與未來研究

4.1 小 結(jié)

與汽車工業(yè)等民用領(lǐng)域相比，航空鉚接技術(shù)發(fā)展相對緩慢。推動鉚接技術(shù)發(fā)展的因素是材料，為滿足新材料的連接要求，傳統(tǒng)的鉚接技術(shù)有待改進，這使得電磁鉚接技術(shù)和自動鉚接技術(shù)取得了長足發(fā)展。本文在回顧鉚接技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對鉚接技術(shù)發(fā)展中存在的問題進行了研究和探討。

(1)對鉚接的各種影響因素，如設(shè)計參數(shù)、制造變量、載荷傳遞、殘余應力、二次彎曲應力等的研究多為定性研究，這些定性研究相對完整。然而，由于影響鉚接靜強度的因素較多，且影響因素的機理復雜，對相應因素和靜強度的定量研究較少，定量研究大多是針對特定的材料、條件和工藝進行的。

(2)隨著新材料、新鉚釘結(jié)構(gòu)和新鉚接技術(shù)的引入，一些新的影響因素如溫度等也被引入飛機制造和裝配中。新因素與原鉚接影響因素的耦合效應尚沒有深入研究。

(3)在飛機修理中，混合連接尤其是粘接/鉚接接頭被引入飛機補片中?；旌辖宇^的靜力特性有待進一步研究，尤其是在有粘接的情況下，鉚接因素對接頭靜力性能的影響還沒有得到充分考慮。

4.2 未來研究

未來的研究工作可能集中在：(1)鉚接系數(shù)與接頭靜力性能的定量關(guān)系；(2)新材料和混合材料(包括鈦合金、纖維增強復合材料和金屬纖維層壓板)在新鉚接工藝下的靜態(tài)性能表征；(3)混合接頭的靜態(tài)特性。