飞机复合材料结构装配连接技术

白海堃

摘要：近年来，我国的飞机行业发展迅速，采用先进复合材料生产飞机结构构件，会形成一定的工艺分离面和设计面，产生连接件，需要采用飞机机械连接技术来进行连接。本文对先进复合材料结构飞机机械连接技术的现状进行分析，并分析了其未来的发展方向，旨在与同行进行交流。

关键词：飞机复合材料；结构装配；连接技术

引言

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。在总结先进复合材料装配协调技术研究现状的基础上，分析了飞机先进复合材料装配协调、应力控制技术的发展趋势，以对我国飞机先进复合材料装配协调理论与技术提供借鉴。

1飞机装配工作内容

飞机装配工作严格遵守装配过程的尺寸型号以及协调章程，在整个飞机装配的过程中，会将数以百计的工艺设备零部件根据工艺要求以及设计技术要求进行组合和镶嵌，完成整个飞机零部件和设备的装配和整机流程，达到组装飞机的目的。在飞机装配中涉及到的零件数目多且尺寸各不相同，每一个零件和形状和连接部件数量多且精度要求高，对安装的准确度和完整性也严格要求，因此落实飞机装配工作需要耗费大量的人力物力以及财力。在传统的飞机装配过程中单纯依靠某个零件的尺寸加工以及零件精确度是很难完成组装工作的。随着飞机装配工作的进步，装配工作逐渐从原来的传统装配工艺变成柔性装配工艺，利用柔性装配能很好地满足飞机装配过程中零件的镶嵌以及设备的组装，替代以往传统装配的周期长成本高的缺点，显著提升了飞机装配的工作质量以及工作效率。

2先进复合材料结构飞机机械连接技术现状分析

2.1连接件的规格和种类比较少

复合材料的制作以及复合材料制件之间最开始一般都是采用螺接或者铆接的机械连接方式连接的，但是先进的复合材料的断裂应变不大，其抗冲击性能比较弱，采用螺接或者铆接的机械连接方式连接不利用构件的使用。后期对于复合材料结构采用干涉配合的连接方式进行连接，就可以大大提升接头的强度。从目前的情况来看，我国的先进复合材料结构的飞机机械连接的质量不容乐观，连接件的规格和种类都比较少，设备的性能也有待提高。国外发达国家的连接件具有先进性，其主要采用新型的铝合金或者钛合金紧固连接，材料的重量比较轻，强度比较高，研制出了很多钛紧固件产品，并在实际中得到了广泛的应用。而我国和发达国家相比，还存在着巨大的差异。

2.2连接技术的自动化程度和智能化程度有待提高

国外复合材料结构飞机连接技术已经实现了智能化和自动化，在飞机结构连接中采用自动钻铆，提升了自动钻铆的效率，现阶段，国外很多连接装配已经由原来的自动钻铆系统转变为柔性装配系统，进一步提升了连接技术的智能化和自动化。和传统的装配系统相比，柔性装配系统包含的范围比较广，在飞机机身壁板、翼梁以及机翼等部位都得到了广泛的应用，不仅可以提升连接的质量和效率，同时还能够有效降低飞机结构构件连接的成本。和发达国家相比，我国的连接技术比较落后，自动化程度和智能化程度不高，虽然已经利用了电磁铆接技术和自动钻铆技术，但是还是不够普及，对于柔性装配技术还未得到应用。

3飞机复合材料结构装配连接技术

3.1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。

3.2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。

3.3装配应力对复材构件疲劳性能影响规律

复材构件的装配协调首先要满足尺寸、形状等几何精度要求。在此基础上，运用合理的装配工艺参数（定位、夹紧、连接），对构件装配应力进行调控，保证最终产品整体装配应力水平满足设计要求，达到服役性能要求。疲劳性能是产品服役性能的重要内容之一，可将疲劳性能作为飞机复材精准装配的目标和依据，确定具体的装配工艺参数和协调方法。主要研究内容包括：（1）针对复材典型结构细节（如开孔、变厚度、变截面等），研究典型疲劳试件制作以及在疲劳试件中加入初始内应力模拟装配应力的方法，通过疲劳试验积累基础数据。（2）针对复材构件不同装配结构和特征试件的疲劳试验数据，研究多试件疲劳性能的综合方法，实现对复材构件整体疲劳性能的评价，探索装配应力对复材整体结构疲劳性能的影响规律，实现全尺寸复材部件的装配协调和应力控制。（3）将疲劳性能的要求转化为装配应力控制要求的方法。由于复材构件的制造偏差，复材构件在形状协调时应引入装配应力，这些应力会影响复材结构的疲劳性能。同时，由于复材构件不同的几何特征（如开孔、变厚度、变截面等），导致复材构件装配后各处的装配应力存在差异。

结语

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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[2]蔡闻峰,薛小平.先进复合材料结构飞机机械连接技术现状及发展方向[J].航空精密制造技术,2010,46(2):24-26.