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All issues Volume 43 / No 4 (August 2025) JNWPU, 43 4 (2025) 694-701 Full HTML
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Issue
JNWPU
Volume 43, Number 4, August 2025
Page(s) 694 - 701
DOI https://doi.org/10.1051/jnwpu/20254340694
Published online 07 October 2025

© 2025 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.

Licence Creative CommonsThis is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有高比强度、高比刚度、耐疲劳、耐腐蚀等特点[1–2], 被广泛应用于航空航天制造领域[3–4]。复合材料虽便于整体化设计, 但不可避免地存在结构连接。在航空航天领域, 复合材料的主要连接方式有螺接、铆接与胶接[5–6]。其中, 胶接具有连接质量轻、成本低、结构完整性高等优势[7], 但剥离强度低, 有机胶黏剂受温度影响大、抗冲击性能差[8]。螺栓连接具有高承载性、高强度、可拆卸等优点[9–10], 目前大范围应用于复合材料连接工艺, 但存在成本高、质量大的问题[11]。铆接在飞机装配中应用广泛, 具有强度高、工艺简单、成本低等优势[12], 但在复合材料铆接工艺中复材板易出现损伤, 从而导致接头强度下降, 出现工艺性能不达标等问题[13]。因此, 优化复合材料铆接工艺, 减少复合材料铆接损伤, 实现“以铆代螺”, 对复合材料机械连接接头减重及降低成本有重要的工程实际意义。

目前, 研究人员已对金属材料“以铆代螺”进行了研究, 于海平等[13]对比了双层铝合金结构中大直径铝合金铆接接头和钢制螺栓接头的力学性能, 发现铆接接头可承受的最大剪切载荷和拉脱载荷均高于钢制螺栓; 陈乾[14]提出在中、重型载货车车架结构中用等直径(Φ6 mm)钢铆钉和等载荷(2×Φ5 mm)钢铆钉替代M6螺栓结构的方案, 其中2×Φ5 mm铆接结构相比螺接结构, 抗剪切性能提高, 且疲劳寿命高于螺接。上述研究提供了金属搭接板的“以铆代螺”方案, 但在复合材料中“以铆代螺”的可行性研究仍处于欠缺状态。研究复合材料“以铆代螺”的关键为优化铆接工艺减小铆接损伤, 提升接头强度, 从而满足等代设计原则。

研究人员对优化复合材料铆接工艺以降低接头损伤进行了研究。曹增强等[11]提出采用电磁铆接工艺加限制垫圈的方式来减少铆接损伤; 赵乐天等[15]探讨了使用垫圈和沉头衬套铆接工艺后接头的拉伸剪切及拉脱性能, 发现垫圈/衬套铆接可以抑制钉杆膨胀, 降低铆接损伤; 符平坡等[16]提出改进自冲铆接工艺以减小复合材料铆接损伤。现有研究已证实利用垫圈可以有效减低铆接损伤, 提升接头强度。Yang等[17]在Φ4 mm钛合金铆钉压铆过程中使用平头垫圈优化铆接工艺, 发现铆接过程中复合材料结构的安装损伤大幅度减小。

综上所述, 螺栓质量过大、价格昂贵, 铆接经济性好, 但容易产生损伤, 现已证实在铆接过程中使用垫圈可以较好地解决损伤问题, 但缺乏其对连接强度的影响研究。因此, 本文采用加垫铆接工艺研究复合材料“以铆代螺”可行性。

1 试验方案设计

为研究复合材料连接“以铆代螺”的可行性, 本文设计铆钉纯铆接、加垫铆接及高锁螺栓连接3种连接工艺, 通过准静态拉伸试验比较3种铆接工艺复合材料的接头强度。螺栓和铆钉的直径均为5 mm。

1.1 试验材料及设备

本试验中, 选用Lisi Aerospace公司生产的抗拉脱型高锁螺栓, 型号为HI-LITETM HST12-6, 材质为钛合金, 螺栓直径5 mm, 螺母为带固定拧紧力矩螺母, 固定拧紧力矩为5 N·m。本试验选用钛铌合金(Ti45Nb)平头铆钉, 钉杆直径5 mm。为保证外伸量一致, 纯铆接铆钉钉杆长L=9 mm, 加垫铆接铆钉钉杆长L=10 mm。垫圈材质为钛合金(TC4), 外径D1=10 mm, 内径D2=5 mm, 与铆钉间隙配合。相较于常规尺寸, 该特制垫圈外径更大、内径更小, 可以在铆接时约束铆钉, 减少钉杆膨胀。铆钉、垫圈及高锁螺栓选取参数如图 1所示。

thumbnail 图1

垫圈、铆钉和高锁螺栓尺寸(单位 mm)

试验所用的层合板为碳纤维增强树脂基复合材料, 预浸料牌号为T700/7901, 层压板铺层序列为[45/0/-45/90/-45/0/45/0/-45/90/-45/0/45], 单层厚度为0.15 mm, 共铺设13层, 层压板总厚度为2 mm。试验件为单搭接接头, 每块试验件由2块层合板搭接构成, 单块层合板长为100 mm, 宽为30 mm, 2块层合板重叠部分尺寸为30 mm×30 mm, 两端粘贴复合材料垫板。搭接板的孔边距和端距均为15 mm, 铆接试件孔径5 mm, 高锁螺栓连接试件孔径5 mm。

1.2 试验件制备

使用如图 2a)所示的TOX气动压铆机制备铆接试验件, 制备纯铆接试验件时在复合材料板孔内放入铆钉并实施准静态压铆铆接; 制备加垫铆接试验件时先将铆钉放入孔内, 在墩头处放入垫圈并实施准静态压铆铆接, 铆接方法如图 2b)所示。2种铆接单搭接试验件的尺寸和实物图如图 3所示。

thumbnail 图2

铆接设备和2种铆接方法示意图

thumbnail 图3

2种铆接单搭接件的尺寸图和实物图(单位 mm)

安装高锁螺栓时, 将螺杆放入孔洞, 另一端配合螺母, 拧紧螺母至其在凹槽部位断裂, 螺杆直径5 mm, 搭接板与高锁螺栓为间隙配合。高锁螺栓连接单搭接复合材料试验件尺寸及实物如图 4所示。

thumbnail 图4

高锁螺栓连接单搭接试件尺寸图和实物图(单位 mm)

1.3 拉伸剪切试验

在飞机服役过程中, 接头所承载的载荷90%为剪切载荷[18], 拉伸剪切强度可以有效反映实际工作中接头的承载能力和可靠性。因此, 使用已制备的试验件进行准静态拉伸剪切测试, 设置纯铆接组、高锁螺栓连接组和加垫铆接组。使用WLN-10010T电子万能试验机进行拉伸剪切试验(如图 5所示), 试验在室温下进行, 拉伸加载速度1 mm/min。

thumbnail 图5

准静态拉伸试验设备及其细节

2 结果与讨论

本文对纯铆接、垫圈铆接及高锁螺栓连接接头进行了准静态拉伸试验, 获取了接头的拉伸载荷-位移曲线。对接头在拉伸载荷下由线性至失效的阶段以及峰值载荷进行分析讨论, 对接头损伤及失效形式进行研究。本节分别比较纯铆接接头、螺接接头和垫圈铆接接头的拉伸力学性能。同时, 通过综合分析铆接及螺栓接接头在质量、强度及能量吸收方面的能力来探究“以铆代螺”可行性。

2.1 拉伸载荷位移曲线

不同接头的拉伸载荷-位移曲线如图 6a)~6c)所示。由图 6可知, 纯铆接接头、高锁螺栓连接接头、垫圈铆接接头3组试验下的拉伸载荷-位移曲线均存在线性增长阶段、渐进损伤阶段及失效破坏阶段。在线性增长阶段, 材料发生弹性变形, 损伤产生, 曲线发生微小波动。渐进损伤阶段, 载荷进一步增大, 损伤加剧, 此阶段图像表现为达到峰值载荷后曲线呈现下降趋势, 图像发生明显波动。失效阶段, 接头损伤程度加剧, 承载能力明显下降, 短时间内载荷下降较大。

thumbnail 图6

3种连接形式拉伸剪切试验载荷-位移曲线及失效过程图

分析纯铆接接头的载荷-位移曲线(见图 6a))发现, 纯铆接接头在线性阶段后迅速到达峰值载荷, 经历短暂波动后曲线迅速下降; 高锁螺栓连接载荷-位移曲线(见图 6b))在线性阶段后曲线存在波动上升, 到达峰值载荷后曲线迅速下降; 垫圈铆接载荷-位移曲线(见图 6c))在线性阶段后波动上升, 到达峰值载荷后曲线有下降趋势, 波动明显。

由图 6d)中不同连接接头的准静态拉伸曲线对比可知: 纯铆接接头的峰值载荷为5 553 N, 高锁螺栓接头峰值载荷为6 915 N, 加垫铆接接头峰值载荷为8 026 N。螺接接头峰值载荷比纯铆接高24.5%, 因此, 通过纯铆接工艺以实现“以铆代螺”并不实际; 而垫圈铆接接头的峰值载荷相较螺栓连接提升了16.1%, 垫圈铆接工艺在剪切强度上超越了螺栓连接, 进一步增加了“以铆代螺”的可行性。垫圈铆接接头峰值载荷远高于纯铆接和高锁螺栓连接, 推测是由于垫圈增大了承载面积, 从而提高了接头的抗拉强度, 改变了接头最终破坏形式, 这将在2.2节中作进一步讨论。

2.2 复合材料试件损伤及失效形式

复合材料接头损伤及失效模式反映了接头连接质量, 根据等代设计原则[19], “以铆代螺”研究中替换的铆接接头强度不能降低, 或者紧固件的强度远大于层合板强度, 更换后在减重的同时不降低连接性能。在准静态拉伸试验中, 3种连接接头试样的失效过程如图 6所示, 最终失效模式如图 7所示。

thumbnail 图7

3种连接形式接头拉伸失效模式

其中纯铆接接头拉伸失效过程如图 6a)所示, 加载至初始损伤时, 复合材料板发生弯曲, 铆钉倾斜, 此时钉头挤压复合材料板形成挤压损伤。随着载荷增加, 到峰值载荷时, 钉头、墩头侧复合材料板均出现撕裂损伤并沿铆钉边缘扩展, 2块层合板间隙增大。接头进入失效阶段后, 撕裂损伤明显, 墩头下沉。最终钉孔发生挤压变形, 复合材料板有明显撕裂损伤, 铆钉倾斜进而脱落。如图 7a)所示, 失效形式为拉脱-挤压混合失效。图 6b)为螺接接头拉伸失效过程, 发生初始损伤时, 板材翘曲, 螺栓钉头侧出现明显挤压损伤和撕裂损伤。随着载荷增加至峰值, 钉尾两侧复合材料板发生凹陷, 螺栓倾斜明显, 钉头处发生孔变形。随着载荷进一步增加, 层合板撕裂损伤增加, 螺孔被拉长。最终螺栓从螺孔脱落。层合板发生大量撕裂和挤压损伤, 失效形式如图 7b)所示, 失效形式为拉脱-挤压混合失效。图 6c)为加垫铆接接头拉伸失效过程, 加载至发生初始损伤时, 试样外表无明显损伤, 继续加载至峰值载荷, 载荷作用于垫圈造成垫圈翘曲, 对垫圈侧复合材料板造成挤压损伤, 层合板发生初始撕裂。随着载荷继续增加, 垫圈变形明显, 两侧层合板撕裂损伤延伸。最终如图 7c)所示, 钉孔被严重拉长, 层合板发生大面积撕裂损伤, 同时垫圈发生翘曲变形, 该组试件铆钉与垫圈均未脱落, 为挤压失效。试验表明, 在准静态拉伸载荷作用下, 纯铆接与螺接试件接头均出现铆钉、螺栓倾斜现象, 钉孔、螺孔发生变形并最终导致接头拉脱-挤压混合失效。而垫圈铆接试件在拉伸试验中垫圈影响载荷传递, 增加了承载面积, 同时垫圈对铆钉钉头脱落有抑制作用, 钉孔在剪切作用下被拉长, 垫圈与铆钉均未脱落, 最终失效形式为挤压失效。加垫铆接试件失效后层合板仍未分离, 且铆钉表面损伤微小, 并未被剪断, 符合紧固件的强度远大于层合板强度的原则。加垫铆接提升了连接质量, 提升后接头在拉伸性能上优于螺栓连接接头。因此, 从准静态拉伸强度层面来讲, 对于复合材料单搭接试件使用垫圈铆接代替高锁螺栓连接可行。

2.3 连接接头单位质量承载能力和能量吸收能力

本节对比了纯铆接、螺接及垫圈铆接接头的质量、单位质量承载力及单位质量能量吸收能力, 以研究铆接工艺能否在保证性能的前提下实现接头轻量化。因此, 本文分别测量长度为9 mm的铆钉、高锁螺栓及长度为10 mm的铆钉和垫片的质量, 数据如表 1所示。

表1

铆钉、垫圈和高锁螺栓的质量

其中高锁螺栓较9 mm铆钉质量下降2.9%, 较10 mm铆钉加垫圈总质量降低18.6%, 试验件在降低质量方面并无优势。

另一个可对比项为连接接头单位质量可承载的载荷量。在本文加载条件下, 不同连接接头单位质量可承载载荷量定义为

$ A=\frac{F_{\max }}{m} $(1)

式中：Fmax为峰值载荷；m为连接接头质量。根据试验结果和(1)式可得到不同试件的单位质量可承载载荷量A的具体值, 见表 2。

表2

试件单位质量可承载载荷量A

由表 2可知, 改进工艺使用垫片铆接后, 接头单位质量承载力较纯铆接接头提升了22.0%, 为高锁螺栓连接单位质量承载力的97.8%。在单位质量承载力上, 使用垫圈铆接代替螺栓连接可行。

能量吸收能力是评价接头力学性能的重要指标, 由载荷-位移曲线(见图 6)计算连接接头失效过程中吸收的能量E的积分形式为

$ E=\int_{x_0}^{x_1} F(x) \mathrm{d} x $(2)

式中：Fmax为峰值载荷, x0=0 mm, 对应初始位移；x1对应试件完全失效时的位移。根据(2)式计算得到的总吸收能量E和连接件/紧固件的质量, 可定义接头单位质量吸收能量值为

$ B=\frac{E}{m} $(3)

表 3给出了根据(3)式计算得到的不同接头单位质量吸收能量值B。

表3

试件单位质量吸收能量值B

由表 3中数据可知, 垫圈铆接接头单位质量吸收能量值相较于纯铆接增加136.7%, 相较于高锁螺栓连接接头增加24.2%。使用垫圈铆接代替螺栓连接可一定程度提升接头性能, 在应对剪切载荷时能量吸收效果更佳。

对比连接接头单位质量下的承载载荷及单位质量下的能量吸收可知, 使用垫圈铆接工艺后, 铆接接头单位质量承载载荷与高锁螺栓接头持平, 单位质量吸收能量值高于高锁螺栓, “以铆代螺”工艺具有一定的可行性。

3 “以铆代螺”可行性

使用垫圈铆接代替螺栓连接后接头峰值载荷提升了20.5%, 单位质量吸收能量值提升了24.2%, 接头单位质量承载力为螺栓连接的97.8%, “以铆代螺”工艺在这一背景下可行。此外, 加垫铆接接头紧固件强度远高于层合板, 符合等代设计原则。同时, 本文存在以下局限性: 提出“以铆代螺”工艺的主要目的为减轻接头质量, 但本文选用的铆钉质量仍高于高锁螺栓的质量, 从轻量化角度来说并未取得理想效果; 垫圈铆接有效降低了铆接损伤, 但本文并未深入分析垫片提高单搭接复合材料试件准静态拉伸强度的机理层面原因以及不同材质垫圈对准静态拉伸强度提升效果的影响。

4 结论

本文通过比较单搭接复合材料试样(包括纯铆接、垫圈铆接和高锁螺栓连接)在准静态拉伸剪切载荷作用下的力-位移曲线、损伤模式、失效状态、单位质量承载能力和单位质量吸能能力, 评估了“以铆代螺”方案的可行性。本文指出, 垫圈铆接在单位质量承载能力和单位质量吸能能力上优于高锁螺栓连接, 在一定程度上支持了“以铆代螺”工艺的可行性。主要结论如下:

1) 在准静态拉伸剪切试验中, 纯铆接、垫圈铆接和高锁螺栓连接的单搭接复合材料试样的力-位移响应均呈现线性增长阶段、渐进损伤阶段和失效阶段。高锁螺栓连接复合材料试样的峰值拉伸剪切强度比纯铆接试样高24.5%，垫圈铆接复合材料试样较螺接试件提升16.1%，垫圈的使用提升了连接件强度。

2) 在准静态拉伸剪切载荷作用下, 纯铆接和高锁螺栓连接的复合材料试样均表现出明显的挤压损伤和撕裂损伤，最终失效模式均为拉脱-挤压失效。而垫圈铆接的复合材料试样中, 垫圈承载载荷并发生翘曲, 抑制了铆钉拉脱, 最终失效形式变为挤压失效。垫圈的使用改变了准静态拉伸剪切载荷条件下单搭接复合材料试件的最终失效形式。

3) 垫圈铆接复合材料试样的单位质量承载能力比纯铆接试样高22.0%, 达到高锁螺栓连接复合材料接头单位质量承载能力的97.8%。此外，垫圈铆接接头的单位质量吸能能力比纯铆接接头高136.7%，比高锁螺栓接头高24.2%。因此, 从单位质量承载能力和单位质量吸能能力的角度来看, “用铆钉代替螺栓”的方案是可行的。

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All Tables

表1

铆钉、垫圈和高锁螺栓的质量

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表2

试件单位质量可承载载荷量A

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表3

试件单位质量吸收能量值B

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All Figures

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垫圈、铆钉和高锁螺栓尺寸(单位 mm)
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铆接设备和2种铆接方法示意图
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2种铆接单搭接件的尺寸图和实物图(单位 mm)
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高锁螺栓连接单搭接试件尺寸图和实物图(单位 mm)
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准静态拉伸试验设备及其细节
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3种连接形式拉伸剪切试验载荷-位移曲线及失效过程图
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3种连接形式接头拉伸失效模式
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