陈栎同 王舟 陈昊龙
航空工业陕飞公司设计研究院
[摘要] 对于飞机复合材料结构的零部件而言，由于胶结的质量以及性能退化不易控制，目前主要使用的还是机械连接或者机械连接与胶结的混合连接方式。本文通过分析目前主要使用的连接件刚度计算方法，并将各种工程计算方法进行对比，提出了更适合工程使用的复合材料机械连接件刚度计算方法。
[关键词] 复合材料 连接刚度 钉载
引言：
飞机复合材料结构件虽然通过共固化，二次胶结等手段以及复合材料制造工艺自身特点大大减少了紧固件的使用，但在一些关键受力部位，如蒙皮与梁连接，肋与蒙皮连接以及金属接头连接处仍然使用机械连接或者混合连接方式以保证连接结构的符合设计要求，所以对于复合材料机械连接而言，钉载计算具有更重要的意义，尽可能准确的分析钉载是局部结构强度评估的基础。
1.主要连接件刚度计算方法
在紧固件连接计算分析中，最常采用将模型简化为二维板单元，通过给连接单元赋予连接件刚度的方法建立计算模型。而连接件刚度的计算一般是基于通过选择选用线弹性阶段的固定值，忽略钉和孔边弹塑性变形的影响。根据资料、手册，目前常用的机械连接刚度计算公式主要有以下几种：
（1）NASA计算方法
NASA在剪切刚度计算中对连接钉受载形式进行了区别，分别计算双剪螺栓和单剪螺栓的剪切刚度Kbs,Kss。计算公式见下式子：
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式中：第一个下标b为螺栓，第二个下标b指弯曲，s指搭接板，p指基本板。I=πd4/64.对于双剪，式11,中第1项代表螺栓剪切变形，第2项代表螺栓弯曲变形，第3-5项分别代表螺栓、搭接板和基本板的挤压变形；对于单剪，式中第1项代表螺栓剪切变形，第2-4项分别代表螺栓、连接板1和连接板2的挤压变形，β是考虑螺栓旋转的修正系数，此处令β=0.15。
（2）Huth公式
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式中，t1和t2为被连接件厚度，当双剪时t1为中间板厚度，d为钉的直径；a，b是钉的连接类型系数，对于复材结构a=2/3，b=4.2（对应的可能是抽钉）；n是与钉的剪切形式相关，单剪时n=1，双剪时n=2；E1，E2是层板的等效弹性模量；Ef是钉的弹性模量.对于金属铆钉，a=0.075，b=2.2。
（3）近似理论计算公式
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2.工程方法分析
通过分析工程计算方法可知，紧固件连接刚度主要考虑了钉自身剪切，挤压，以及钉孔的挤压变形。可以看出对于航空领域工程计算中常用的HUTH公式以及波音的刚度计算公式都是考虑连接件以及被连接件的挤压刚度影响，而忽略了钉的剪切以及弯曲，这是由于航空领域里钉直径与厚度比例有要求。但对于特殊情况，比如说钉材料较软，钉直径小，长度长，而被连接件刚度大，则应该重点考虑钉弯曲和剪切作用，此时使用NASA方法更为合理。
3.典型算例
算例模拟了复合材料机械连接中常见的尤其是在受集中载荷处常出现的复合材料与金属件连接情况。金属接头材料TC18,模量110GPa，局部厚度8 mm，连接紧固件直径12 mm，根据复合材料排钉要求，连接板尺寸为250mm，板宽60 mm，复合材料板单向带材料为T300环氧树脂预浸料，蒙皮厚度12mm，复材连接板铺层铺层比例0°/±45°/90°取典型蒙皮与接头连接区铺层比例即30/60/10，对应主方向E为53828 MPa，面内剪切等效模量21577 MPa。将工程方法结果进行对比，见表2。
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4.计算结果比较与总结
综上所述，波音与近似理论计算公式主要针对铆钉连接，其计算结果与其他工程方法以及有限元结果偏差较大，对于螺栓连接不适用。NASA与工程经验公式需要引入修正系数，在实际工程使用中容易造成不便。综上所述，在工程分析计算中建议使用huth公式或者连接手册中推荐公式进行紧固件连接刚度计算。
参考文献
[1] Influence of fastener flexibility on the prediction of load transfer and fatigue life for multiple-row joints。 In fatigue in mechanically fastened composite and metal joints[M] STM special technical publications，1986
[2] 复合材料主承力连接结构强度预测及影响因素 李星 季少华 航空材料学报