先进复合材料结构飞机机械连接技术现状及发展方向

李天艺

摘要：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：复合材料结构；飞机机械连接技术；发展方向

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。如A380碳纤维复合材料（CFRP）中央冀盒翼根的连接曾是面临的主要问题。因此，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国内飞机复合材料结构连接技术现状

1.1连接件种类、规格、设备能力有限

与我国正在研制的大飞机项目所需标准件相比，我国生产的可用于复合材料结构飞机连接的高质量、高可靠性标准件种类、规格有限，设备能力有限，性能有待于进一步提高。在国际航空业飞速发展的形势下，国内及需开发新材料、研制新型紧固件、扩大生产能力，来满足国内先进复合材料结构飞机的连接需求。

1.2工艺落后、机械化、自动化程度不高

国内在复合材料结构连接方面已采用自动钻铆和电磁铆接技术，但应用还不普遍，柔性装配技术受到广泛关注.已有相当数量的研究项目正在实施，有望在不久的将来得到推广和应用。国内复合材料结构飞机连接以手工作业为主，自动化半自动化装配作业为辅，除个别主机厂配有自动钻铆机，但仍在小范围应用之中，局限于开敞度较高的壁板结构中，如西飞、成飞、北京航空制造工程研究所等。

为提高工作效率，减少操作人数和工作量。国内已重视采用先进的装配连接技术，加大在自动钻铆技术和设备方面的研制，并取得了一定的成果。中航工业西飞全自动数控托架系统的研制成功及相关数据处理技术，在ARJ21机翼壁板铆接中顺利实施，填补了国内航空工业大型壁板自动铆接技术的空白，为自动钻铆设备铆接复合材料壁板奠定了基础。

国内由沈阳机床、北航、沈飞联合研制的多功能制孔执行器顺利实施，为发展机器人装配制孔技术奠定了基础。国内机器人复合材料自动钻铆技术刚刚起步，由北京机器人研究所和北京航空制造工程研究所联合研制的机器人复合材料自动钻铆系统尚处于开发阶段，离推广应用还有很大距离。国外电磁铆接技术应用已比较成熟，国内仅有西工大、北京航空制造工程研究所、成飞等单位在电磁铆接设备和铆接工艺等方面进行了一定研究，但还未进入工程化应用。

2先进复合材料结构飞机机械连接技术发展方向

2.1 研究新的复合材料结构连接技术

和國外发达国家相比，我国的先进复合材料结构飞机机械连接技术还比较落后，技术手段的自动化程度和智能化程度不够，导致连接效率低下，连接质量有待提高。在未来的发展过程中，会研究新的复合材料结构连接技术，从实际的复合材料结构的特点出发，同时结合连接技术对材料的要求，不断借鉴和引进国外的先进技术，并在此基础上针对相关的技术以及设备的特性，加强设备和相关技术的国产化研究。在未来的复合材料结构连接技术中，将会充分利用现代技术，包括自动化装配技术、数字化定位技术、集成技术、自动钻铆技术、电磁铆接设备、自动化柔性技术的应用，不断促进我国复合材料结构连接技术的自动化发展和智能化发展，提高飞机构件的疲劳强度，同时还能够减少人力资源的利用，缩短生产周期，提升我国的制造装备水平。

2.2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。

总之，现代飞机结构复合材料化已是大势所趋，在机遇与挑战面前，国内应看好前景，重视差距，准确定位，正确把握先进复合材料飞机结构连接技术的应用需求和发展方向，着力自主创新，从体制、设备、工艺、人员等方面作好准备努力提高水平，促进我国飞机复合材料结构连接技术逐步赶上国际先进水平。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：

[1]PATRAN中复合材料结构应变读取方式研究[J].金晖.科技视界.2017（06）

[2]智能复合材料结构在未来飞机上的应用[J].陶宝祺，梁大开，王征，袁慎芳.航空学报.1992（12）

[3]面向大型复合材料结构的高效超声自动扫描成像检测技术[J]. 刘松平，郭恩明，刘菲菲，李乐刚，白金鹏，曹正华，谢富原，孟秋杰.航空制造技术.2012（18）

[4]新机研制中的复合材料结构装配关键技术[J].曹增强.航空制造技术.2009（15）

[5]新一代大型客机复合材料结构[J].杨乃宾.航空学报.2008（03）

[6]航空用缝编复合材料结构[J].陈言.航空维修与工程.2006（02）

[7]复合材料结构腐蚀分析及对策[J].陆榕海，余飞，赵斌.航空维修与工程.2006（02）

[8]复合材料结构的修理[J].大卫.L.布鲁尔.航空工程与维修.2002（03）

[9]复合材料结构的动力屈曲研究进展[J].唐文，陈铁云，王德禹.力学与实践.1997（01）

[10]复合材料结构开孔分析 第一部分：板类开孔问题[J].吴德隆.导弹与航天运载技术.1994（03）endprint