沉头螺栓锪窝误差对复合材料连接结构承载性能影响分析.pdfVIP

航空科学技术

AeronauticalScienceTechnologyJun.252024Vol.35No.0637-43

沉头螺栓锪窝误差对复合材料连接

结构承载性能影响分析

12

邹鹏，刘盈利

1.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，陕西西安710065

2.西安长峰机电研究所，陕西西安710065

摘要：沉头螺栓作为现代飞机复合材料结构中的一种重要连接形式，其锪窝精度与装配质量直接影响结构服役性能。沉

头螺栓因其能够保证连接结构表面齐平度，被广泛应用于飞机复合材料连接结构中。由于工艺和结构限制，锪窝角度误差

和深度误差通常是不可避免的，并且对连接结构力学特性和承载能力造成影响。针对以上问题，本文开展了沉头螺栓锪窝

几何误差对复合材料连接接头承载机理与强度影响研究。在角度误差、偏转方向误差以及深度误差定义分析的基础上，开

展了不同误差下的加载试验并进行了显微分析。通过对加载曲线和界面形貌的分析，揭示了不同误差下的结构损伤机理和

接头失效载荷，探究了锪窝几何误差对复合材料沉头螺栓单搭接接头力学行为的影响，为沉头螺栓在复合材料连接结构中

的高效工程应用提供理论依据。

关键词：沉头螺栓；角度误差；偏转方向误差；深度误差；损伤机理；失效载荷

中图分类号：V262/TB332文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.06.005

由于飞机复合材料零部件制造、装配与维护需求不同，影响规律。研究结果表明，当锪窝深度较小，螺栓不能完全

造成不同的结构件之间存在大量装配连接形式。其中以传沉入连接孔时，会导致螺栓应力集中加剧，加速螺栓破坏进

统的螺栓连接为代表的机械连接结构由于形式简单、承载能程；当锪窝深度较大，会使螺栓与连接孔轴线间的偏移角度

力强等优点而成为复合材料结构的重要连接形式[1-7]，而被广增加，加剧螺栓沉头部分的挤压变形，削弱结构疲劳强度；

泛应用。此外，对于飞机机翼蒙皮等薄壁结构，由于对其外而过大的孔口圆角会增大螺栓与连接孔轴线间的偏移角

形精度与表面质量有严格要求，使得沉头螺栓被广泛应用。度，加速疲劳损伤进程，降低结构整体连接强度；而较小的

完好的结构表面质量不仅可以很好地满足飞机气动外形要孔口圆角则会使螺栓产生局部损伤，同样不利于提高整体

求，还能够减少雷达截面积（RCS）以提高隐身能力[8-9]。承载性能。雷金山[11]建立了二维轴对称有限元模型，分析

对于复合材料沉头螺栓连接结构，在其加工过程中由了铝合金结构沉头螺栓干涉连接的应力场分布和不同干涉

于制造工艺与能力的限制，无法完全保证加工精度与孔壁量、沉头角度、锪窝深度对凸瘤大小的影响。研究表明，当

质量，从而影响后续装配质量。其中锪窝角度误差会对螺干涉量在1.5%~2%时结构应力集中较小，残余应力分布最

栓沉头和锪窝间接触面的面积和摩檫力产生影响，造成复均匀，锪窝深度的增加会引起凸瘤高度的增加，降低连接强

合材料干涉连接后锪窝孔周应力分布和连接界面干涉量不度。Nezhad等[12]通过试验研究了存在配合间隙的复合材料

均匀，影响连接结构强度。对于该种连接形式，于书宇[10]基沉头螺栓连接损伤过程，研究结果表明，极限载荷失效时主

于三维Hashin失效准则和材料退化模型，建立了复合材料要是层内损伤，其位于沉头边缘且在沉头下方连接孔沿厚

疲劳加载过程中的损伤累积演化模型，并通过静强度和疲度方向扩展。王建等[13]对连接孔的倾斜角度、倾斜方向以

劳试验，研究不同孔口圆角和锪窝深度对连接结构强度的及螺栓扭矩对接头承载性能的影响进行单钉单剪试验，研

收稿日期：2023-11-09；退修日期：2024-02-21；录用日期：2024-04-23

基金项目：国家自然科学基金（5200