探析民用航空飞机维修中复合材料结构装配连接技术

探析民用航空飞机维修中复合材料结构装配连接技术

赵长海

山东航空股份有限公司青岛分公司,山东 青岛 266300

摘要：先进复合材料自20世纪70年代就以比重小、强度高、疲劳性能好等优点在飞机中得到应用，大型客机大量采用先进复合材料结构已经成为航空领域发展的重要态势。随着先进复合材料在新机结构上应用比例的大幅度提高，更多的复材装配协调与应力控制的问题因此产生，复材构件装配协调与应力控制技术已成为我国飞机制造的关键技术之一。

关键词：飞机复合材料；结构装配；连接技术

前言：复合材料的各向异性、脆性及其非均质性使复合材料连接的失效更为复杂，其损伤扩展特点及其断裂性能等都与金属材料有很大的差别；其次.复合材料结构飞机设计依赖大量的试验及设计人员的经验；加之复合材料制孔困难，且纤维被切断，导致孔边应力分布较复杂，应力集中程度高，导致强度严重下降。因此，相对金属件的连接，复合材料的连接是结构的薄弱环节，结构破坏的60%-80%发生在连接处。先进复合材料结构的连接技术对飞机结构安全和效率有着至关重要的作用，这对传统飞机结构机械连接技术在连接件种类、安装工具及设备等方面提出了新的挑战及更高的要求，已成为研究的重点。

1、飞机复合材料特性

随着时间的推移，复合材料越来越多地应用于飞机结构部件中。复合材料的外观不仅能平衡单个材料的某些弱点，而且还能获得单个材料不具备的优越特性。复合材料具有较高的比刚度和强度、较强的疲劳强度和阻尼、结构和材料的强设计性以及简单的积分形式等特点。现代飞机通常具有长寿、结构轻便、可靠性高等要求，因此复合材料的性能要求越来越高。其特性如下:(1)高比强度和比刚度是测量飞机材料承载能力的重要指标。值越大，此材料的重量越轻，相对强度和刚度越高。当拉伸强度相等时，先进复合材料的密度小于钛合金密度的1/3。复合材料在飞机上的应用将间接降低飞机的重量，扩大射程，降低运营成本。(2)良好的抗疲劳性能飞机在滚动、起落过程中承受着不断变化的循环载荷，材料承受此类疲劳载荷的能力反映了材料的抗疲劳性能。尤其是纤维增强树脂复合材料在这方面性能较好，材料中的纤维可以桥接零件表面的裂缝，从而防止裂缝迅速扩散。对于寿命为30年的民用飞机，复合材料几乎对疲劳不敏感。(3)成形过程简单。纤维增强复合材料适用于整体形状，可减少零件和部件的数量，从而减少设计和计算的工作量，提高计算的准确性。大型飞机零部件的集成成形方法可以大大减少零件、紧固件和模具的数量，进而减少装配接头和工艺的数量。这是降低飞机复合结构重量的重要措施，也是降低成本的有效方法。

2、飞机复合材料结构装配连接技术

2.1飞机柔性装配定位技术

飞机柔性装配定位技术是利用飞机装配过程中涉及到的梁框和支撑结构件进行自定位组装。一般的飞机柔性装配定位技术能帮助飞机工装的零部件实现自定位或借助光学仪器实现位置跟踪完成定位支撑，能有效减少在飞机组装过程中使用到的装配零部件数量，降低飞机装配中框架的连接件数目和钻孔数目，从本质上降低飞机装配的工装数量且减少材料的消耗。但是飞机柔性装配定位技术需要配合精密测量仪器才能完成自定位装配工作。而精密测量仪器需要满足高效率以及高精度的要求，一般在装配定位中使用精密仪器的数量较多，装配孔定位技术包括了自动化制孔以及便携式柔性制孔等技术，能在飞机装配过程中满足大批量结构件的生产和装配，显著提升装配零部件的装配效率，同时借助钛合金等复合材料，满足装配工作中合金以及飞机结构的硬度要求。

2.2复材构件装配偏差建模

复材构件的装配协调须考虑复材构件自身的尺寸偏差、形状偏差、定位误差、夹持方法与连接工艺等，需要研究考虑几何外形、材质差异、定位与夹紧等多因素的复材构件偏差的综合描述方法，为后续复材构件偏差建模、公差设计奠定基础。主要包括如下3方面：（1）针对复材构件制造实际，积累基础数据，获得复材构件制造偏差的分布。包括典型的复材梁、壁板等构件的尺寸、形状、厚度等偏差信息，以及相应的制造工艺和技术条件等。全尺寸复材构件制造偏差的数据积累，能够有效提升复材构件装配偏差预测结果的准确度。（2）复材构件的材质误差描述方法。针对复材构件不同铺层、纤维材料与树脂性能波动以及工艺参数波动造成的板料厚度、机械性能等参数的变化，研究复材构件材质性能参数的统计特性，定义复材构件材质误差的描述向量来表达复材构件材质误差，实现形状协调的同时也满足装配性能的要求。（3）定位和夹紧方案对装配偏差的影响。由于复材构件制造偏差的特殊性，定位和夹紧方案直接影响复材构件的装配偏差、连接性能等。研究如何建立与实际情况相符的边界条件和装配偏差预测模型（如复材构件多属性装配尺寸链模型等），准确描述复材构件实际制造偏差以及定位和夹紧方案造成的间隙或干涉工况，而非理论设计或实验室测试时的理想状态。

2.3螺接和铆接工艺及相关技术

通过相关试验分析发现，复合材料和金属材料在连接的过程中，连接部位的纤维对结构的破坏形式和结构的受疲劳寿命有着直接影响，复合材料的破坏往往出现在挤压或者拉拖的混合破坏，合理的进行纤维含量的安排可以将所需破坏的方式设计出来，与此同时，合理的选择抽钉、螺栓等紧固件类型，并且注意装配质量加强也可以控制结构的疲劳寿命，为了避免出现电位腐蚀复合材料，在紧固件选择的过程中主要使用钛质金属。

在连接复合材料的过程中，主要使用间隙配合，再配合接头孔附近往往会出现应力集中的情况，导致载荷分配不均匀等问题出现。与此同时，间隙配合很容易导致钉孔和钉杆处之间产生撞击而出现连接层破坏等情况，为了避免这种连接的缺陷，可以使用干涉连接技术。

3、先进复合材料结构飞机机械连接技术发展方向

3.1加强高质量和高性能的先进复合材料连接件的研究

在未来的发展过程中，我国在飞机机械连接技术领域，还会加强对高质量和高性能先进复合材料连接件的研究。在经济不断发展的背景下，航空运输市场对航空运输的要求更高，未来满足这种更高的要求，我国政府加强了对飞机项目的重视，在飞机上广泛分布各种紧固件。飞机机体的结构采用的复合材料比例在增加，已经达到了 15%。为了避免飞机在总装时出现紧固件短缺而对整个项目的进度造成影响，在未来的研究中，将会加强对高质量和高性能的先进复合材料研究，做好复合材料连接件的国产化规划，充分借鉴国外的先进产品，并在此基础上进行改进和创新，研制出适应我国飞机使用的新型高端的紧固件。

3.2不断研究新的复合材料结构连接技术

与发达国家相比，我国所掌握的先进复合材料结构飞机机械连接技术还处于较为落后的阶段，特别是在技术手段的自动化程度与智能化程度明显不够。这种情况的出现，势必会造成连接效率低下，因而需要相关企业注重对连接质量的提升。在现阶段社会经济发展过程中，相关企业要着重研新的复合材料结构连接技术在此过程中，首先就要能够根据当前复合材料结构所具有的特点进行，同时还要根据连接技术对各个方面的要求，适当的借鉴或引进国外先进技术。在这之后，在需要相关人员对其中所应用的技术和相关设备的特性予以深入研究。通过这种方式，能够进一步加强我国在设备与相关技术在国产化方面的研究。对于未来先进复合材料结构连接技术中，必须要能够结合实际需要，合理的应用现代技术。如，自动化装配技术、数字化定位技术、集成技术、自动钻铆技术以及电磁铆接设备等。

结束语：现代飞机复合材料的使用是未来的发展趋势，但是复合材料的结构构件使用，应该做好结构构件的连接，加强对复合材料结构构件连接技术的研究，针对我国目前在连接技术方向存在的缺陷，借鉴国外相关成功经验和技术，加强对新的复合材料结构连接技术的研究，不断提升我国连接技术的智能化和自动化水平，同时加强高质量和高性能的先进复合材料连接件的研究，生产出新型高端的结构构件。

参考文献

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