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复材应用下紧固件的优缺点及选用事项

发表时间:2020-5-20 9:31:55  作者:三圆  来源:三圆  浏览量:2360

复合材料因其具有显著的性能优势,已经逐渐成为许多工程应用中的常用结构材料。尽管材料自身以及加工制造成本仍然高于传统材料,但是复合材料对于结构本身带来的优势,以及从整个生命周期的成本角度考虑来看,利大于弊。对于某一个结构来说,可能是由很多不同材料的部件组合在一起而形成一个完整的结构。要把这些不同的部件组合在一起,可能又有很多种不同的方法。像使用螺栓、铆钉这类金属紧固件,还可以使用结构性的粘合剂进行粘接处理,或者通过某种形式的焊接来完成。连接的方法很多,但是选择的时候需要仔细考虑所使用的材料,尤其是像复合材料连接,它与金属材料连接不同,具有独特的特性。

一. 复合材料连接的特殊性

从复材结构组成来看,与传统材料相比,使复合材料具有独特特性的根源是复合材料本身兼具异质性和各向异性:
1)复合材料由混合在一起的以实现特定结构特性的材料组成,由嵌入树脂基体中的纤维材料制成;
2)纤维是复合材料主要的承载元素,并且复合材料仅在其纤维方向上是坚固的;
3)基体的作用是支撑纤维并赋予复合材料耐环境的特性,比如确定复合材料的最高使用温度;

此外,复合材料的结构和力学特点与金属结构也截然不同:
1) 复合材料尤其是碳纤维复合材料与金属材料接触,容易形成电化学腐蚀;
2) 复合材料极其“脆弱”,在机械连接过程中非常容易出现“分层”问题;
3) 复合材料的维修是一个非常大的问题,几乎无法修补,只能更换。
因此,在连接复合材料时,必须要认识到其独特的特性和结构特征,才能有效地避免接头设计问题的发生。

二. 在复材上使用紧固件连接的优点和缺点

机械类的紧固件、粘合剂都可用于连接复合材料,使用哪种连接技术关键取决于应用和材料组成。比如,飞机上使用的复合材料通常是通过机械紧固件来连接,用到粘合剂连接的并不多;而在汽车应用中,则绝大多数复合材料是通过粘合剂进行连接的。从理论上来讲,所有的复合材料都可以粘合。但是,在很多接头连接处往往是载荷集中的地方,会承受很大的应力,因此这些地方多选择使用紧固件。此外,当结构部件非常大的时候,放置粘接所使用的工具和固化设备比较困难,从而使紧固件在这种情况下具有较高的成本效益。机械类的紧固件,比如铆钉、螺纹销钉、抽芯铆钉、钛合金制的两件式螺栓和螺母都可以用于复合材料,在选用的时候需要特别注意以下事项:

1、紧固件与复材孔之间的间隙配合;
2、制孔对材料结构完整性的影响(避免引起分层);
3、接头处可能发生的电偶腐蚀;
4、特殊位置或应用处,复合材料的导电通路问题。

此外,复合材料应用的紧固件,从外形上看,往往都有个“大脑袋”,目的是将载荷分布在更大的表面面积上,来减少对复合材料表面的压力,避免发生分层现象。紧固件与复材之间也不是只能通过间隙配合来完成安装,必要的情况下,轻微的干涉配合也是允许的,但是为了避免过盈配合可能导致的复材分层,应该适当地选择套筒类紧固件,这样可以让应力均匀地沿紧固件的径向方向扩散。

这里特别强调一下电偶腐蚀的问题,如果使用铝制的紧固件,由于铝与碳纤维的电位差,碳纤维复合材料可能会受到电腐蚀,因此需要对紧固件表面进行涂层处理,但这会增加组装成本和时间。因此,在这种情况下,铝制的紧固件往往被更昂贵的钛合金和不锈钢材料的紧固件代替,当然,紧固件的价格最终还是取决于数量。

综上所述,在复合材料应用中选用紧固件连接的优缺点可以概括如下

优势:
可检查性
使用紧固件连接,可以通过检查紧固件是否安装正确来判定接头是否紧固,例如通过安装扭矩进行监测,这有助于确定使用的紧固件是否可以达到设计阶段要求的载荷传递能力。

可修复性
如果紧固件发生损坏或安装不准确,很容易进行拆卸和更换。当然,有些时候可能需要使用加大件或者需要重新制孔。

对连接厚度的高容忍性
所有结构部件,无论厚度如何,都可以找到一款适合的紧固件进行连接。

对安装空间的低要求
随着特殊紧固件的应用,比如单面装紧固件,在飞机结构中某些空间受限制的区域,可以轻松实现单侧安装。

劣势:
零件数量增多
每一个使用的紧固件都是结构之外的附加零件,对于大型构件来说,上万件的紧固件无形中增加了结构本身的重量。

应力集中
在紧固件接头处存在两个主要的应力集中问题。一个是载荷经过紧固件的孔,在孔的边缘处存在的拉伸应力集中;另一个是在孔的背面存在的非线性载荷分布。

容易疲劳
在局部应力集中的情况下,疲劳裂纹萌生的发生率更高一些。因此在使用机械紧固件的地方,需要有足够的预紧力防止紧固件与零件之间的相对位移,并以此来提高结构的疲劳寿命。

接头密封
在有些接头连接处,存在“湿装”的情况,多余的密封胶处理是个比较麻烦的问题。

容易腐蚀
连接不同的材料并且使用与被连接部件材料不同的紧固件时,可能会发生电化学腐蚀。因此,在连接过程中必须要加入防腐措施。针对以上的优点和缺点分析,那么在实际复材连接应用中,应该注意哪些呢?

三. 复材上紧固件选型标准

紧固件选用的最基本要求就是要满足结构上对载荷力的要求,因此首先要搞清楚接头处承受的载荷是拉应力,还是剪切力,或者二者兼有。如果紧固件的拉伸疲劳是主要问题,则需要选用抗拉头型的紧固件并且头部与钉杆连接处需要有一定的倒角;而在承受轻微或中等拉应力的情况下,可以考虑使用任何类型的紧固件,包括铆钉和剪切头紧固件。

针对复材的特殊应用情况,紧固件的选用通常需要从以下几方面进行考虑:

强度
抗拉力或抗剪切力取决于紧固件本身的材料特性、直径、头部尺寸、螺纹尺寸和夹层厚度。

腐蚀
在碳纤维复合材料中使用金属紧固件有明显的腐蚀倾向。镀镉处理是钢制紧固件上最常用的表面处理,但仍会在碳纤维复合材料中发生电化学腐蚀。因此在安装过程中,密封紧固件变得非常常见,这种做法就是我们俗称的“湿装”紧固件。对于碳纤维复合材料来说,钛合金紧固件是优选的。

材料相容性
紧固件材料的选择,包括表面处理和润滑剂的选择都要与和它们接触的材料兼容,尤其是混合连接的情况下,比如碳纤维复合材料与铝合金材料结合在一起。

安装
紧固件的安装,尤其是预紧力的控制至关重要。足够的预紧力可以提高接头疲劳寿命,注意是足够的预紧力而不是高预紧力。

总结
碳纤维复合材料为飞机的制造带来了很多好处,最直观的就是减轻了重量,优化了燃油效率。但是,它作为一种新型材料,给工程师却带来了各种各样的挑战。机械紧固件在复合材料面前仍然是不可替代的、优先选择的连接方法。面对复合材料,在设计选用过程中,除了考虑成本、重量和功能之间的关系以外,还要综合考虑紧固件与材料的兼容性以及在整个安装和承载过程中潜在的失效问题。

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