第八章 连接设计
第一节 机械连接设计
机械连接由于具有可靠性高、便于重复拆装、并对环境和疲劳影响不敏感等特点，而成为复合材料结构最常用的连接方式。如 "—垂尾、 "—%机翼、 &’—%(机翼和前机身， (—水平安定面和 "—))机翼等复合材料结构均采用了以机械连接为主的连接方式。 &’—%(复合材料机翼有 *+++个紧固件、前机身有 ),-+个紧固件， "—))复合材料机翼使用紧固件多达 ,+++个。
一、机械连接类型的选用与连接破坏模式
（）机械连接类型的选用
机械连接可按紧固件划分连接类型。机械连接通常采用的紧固件有 ,种：销钉、螺钉、铆钉和螺栓，对有特殊连接要求部位，采用特种紧固件。销钉多用于耳片接头，对飞机结构零件紧固连接不适用。螺钉与层合板连接力小，连接不牢固，易松动，易从层合板中拉出，难以实现长期有效连接，在承载连接中一般不采用。
铆钉连接选用铆接是机械连接中工艺最简单、成本最低、增重最少的连接方式。金属结构连接中，铆接广泛应用。由于复合材料延伸率小、层间强度低、抗冲击能力低等弱点，使铆接易引起复合材料层合板孔内壁及表面层的损伤，同时铝铆钉与碳纤维复合材料有电偶腐蚀，因此，复合材料层合件铆钉连接应用受到限制。一般用于连接厚度大于 *..的层合件连接和复合材料件与金属件传载接头连接。铆钉一般为钛合金钉。实心铆钉连接强度高；空心铆钉适用单面可达情况；对有外表面光滑要求部位采用埋头铆钉。
实心铆钉连接时，钉杆有镦粗，适当控制钉杆与孔之间连接配合的过盈量，有利于提高连接强度和疲劳寿命以及连接密封。为此，在镦头端加一个孔内径较小的刚性金属垫片来控制钉杆的膨胀量，并用压铆而不是锤铆。某机全复合材料垂尾采用了这种铆钉连接。主要参数：
纯钛铆钉，直径 / 0 *1 -..，孔径 *1% 2+1+..，垫片内径 *1 2+1+..，镦头直 •,,,•
径 " %&" ’())，镦头高 &。* %&"&+))。抽芯铆钉、钛铌合金空心铆钉、双金属铆钉和空尾铆钉等新型铆钉在铆接后钉杆直径基本不变，不会引起层合板开裂，现已推广应用。
螺栓连接选用需要重复拆装和承载较大的接头，大都采用螺栓连接。螺栓连接适合较厚的层合板连接，螺栓直径 与连接厚度 ,之比约为 -"+。螺栓拧紧的预紧力可控制，明显提高连接强度和连接可靠性。钛合金螺栓，除普通六角形凸头螺栓外，高锁螺栓更常用。高锁螺栓具有较高且均衡的夹紧力，有自锁能力，可单面安装，具有很好的机械性能，静强度和疲劳强度均较好。
"特种紧固件连接选用按连接特殊要求专门设计研制的紧固件，以弥补铆接和螺接难以实现或达不到要求的连接需求。常见的特种紧固件有钛环槽钉、螺纹抽钉、干涉配合钛环槽钉等，这些紧固件具有装配力小、连接夹紧力可控、密封等优点，而在复合材料连接中得到应用。
（.）机械连接形式与接头几何参数复合材料结构机械连接形式主要有搭接和对接两类，按受力分单剪和双剪两种，.双剪接头较单剪接头为好，它可改善接头受力不对称的不利影响；连接强度可提高 .&/。
（0）机械连接破坏模式
机械连接有五种破坏模式：拉伸破坏、剪切破坏、挤压破坏、劈裂破坏和拉脱破坏，前三种与金属材料一样，是基本破坏模式；后两种对复合材料连接易出现。当然，这五种破坏模式，还会发生组合破坏。
在上述五种破坏模式中，挤压破坏为局部破坏，承载能力最高，因此，设计人员力求将连接结构设计成仅发生挤压破坏或以挤压破坏为主的组合破坏模式。
二、机械连接设计一般原则与许用值
（）机械连接设计一般原则 应满足连接强度要求。连接几何参数及铺层的选择应尽可能保证连接接头发生挤压破坏，或以挤压破坏为主的组合型破坏； 应优先选用螺接，尽量避免铆接，推荐使用高锁螺栓以及专门为复合材料结构设计的胡克铆钉、高锁环槽铆钉等紧固件。 "应满足抗电偶腐蚀要求。紧固件材料与复合材料构件要相容。复合材料应使用钛合金或不锈钢紧固件，并采用涂以密封胶的湿装配，以防止电偶腐蚀。
双排以上的多钉连接，各排钉孔应尽可能平行排列，此时疲劳强度较高；采用交错排列，静强度略高。斜削和阶梯形接头可改善多钉连接时钉载分配的不均匀性。 %连接区复合材料构件的铺层比例， % +1层一般不少于 &/。连接孔处可适当局部加厚。连接孔区附近还可采用局部软化带设计以提高接头强度。
•+•
应考虑使用环境条件的影响和特殊要求。如对结构整体油箱区的紧固件应采用密封措施（涂密封胶或加塑料帽套等）。
"应尽可能减轻重量和降低成本；
制孔（钻孔、铰孔、锪窝）应符合规范要求。
如果需要解决连接效率一重量一成本问题，就必须把连接和结构件融为一体进行设计。（）机械连接设计许用值
机械连接设计许用值确定主要考虑多向层合板钉孔挤压变形，根据层合板螺栓连接挤压强度试验所获得的载荷 "孔变形（ " %）曲线（直线段），经统计分析确定。机械连接设计许用值一般要求达到 % &’（&&’）左右。这个值与层合结构设计许用值基本一致。若接头区层合板设计不能满足许用值要求，应修改设计（一般是增加 ( &)*层）达到设计许用值要求。
三、机械连接接头设计参数选择
（+）铺层比选择
不同方向的纤维对机械连接强度的影响（作用）是不同的。多向层合板可使不同方向纤维的连接作用优势互补，而获得最好的连接强度。这里以 , (&)层板挤压应力与 ( &)*层所占 ’关系曲线说明 ( &)*层占 & -.’时，可获得最高的挤压强度。故机械连接设计一般原则规定，连接区 ( &)*层一般不少于 &’，*层一般不大于 &’，/*层一般不少于 +’（有利于泊松比协调）。各方向纤维的铺层顺序应均匀分散，不可成组铺贴，以利于发挥不同方向纤维的连接作用优势互补。在实际连接结构中，螺栓连接拧紧螺母后，预紧力抑制了层间应力作用，故铺层顺序的影响可以忽略不计。
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