基于制孔精度和孔壁质量控制模型的复合材料抗疲劳机械连接方法研究

In this project, the anti-fatigue properties of the assembly holes will be investigated according to the mechanical and structure characteristics of C/C and C/A stack composite joints. The main research work of the project is as follows: Firstly, the connection and fatigue properties for CFRP composite connection holes will be studied, and then the correlation model between the anti-fatigue performance and hole quality will be built; Secondly, the process schemes for batch hole machining with good consistency of high hole accuracy and hole-wall quality will be obtained by the optimization of hole machining process; Finally, experiments and finite element simulation analysis will be carried out on the connection strength and fatigue life of typical aircraft parts with C/C and C/A stacking features, and then the matching optimization scheme of hole machining process and fastened methods will be obtained to achieve high efficiency and precision assembly on C/C and C/A stack composite parts. The research results of this project would provide a theoretical guidance and technical support for anti-fatigue precision machining technology of composite components, and also provide a technical support for the manufacturing and application of advanced aviation composite structures.

针对航空用C/C和C/A叠层复合材料连接件的材料特性和结构特点，以连接装配孔为研究对象，开展复合材料连接孔的抗疲劳性能研究，建立抗疲劳性能与制孔精度、质量之间的关联模型；然后通过制孔工艺优化，获得具有高一致性、稳定制孔精度和孔壁质量的批量孔加工工艺；最后针对C/C和C/A叠层特征部件机械连接，开展连接强度和疲劳寿命试验和有限元仿真分析，提出制孔工艺与机械连接的匹配优化方案，以期实现C/C和C/A叠层复合材料连接件的高效精密装配。本项目的研究成果可为复合材料构件的抗疲劳精密制孔工艺提供理论指导和技术支持，为先进航空复合材料结构的制造和应用提供技术保障。

为了提高航空复合材料构件的连接可靠性和疲劳寿命，需要保证连接孔的加工精度、加工质量以及相应紧固件的制造精度。然而，国内复合材料在民机上的应用研究还处于探索阶段，航空制造企业和研究机构对复合材料制孔精度、加工质量以及紧固件的制造精度，尚未有一个统一的评价标准，因此不能形成一个确定的装配工艺规范，不宜于实现复合材料构件的高效精密装配，也将为未来航空复合材料构件的适航评定带来困难。. 本项目针对复合材料叠层结构件高效制孔工艺，在复合材料叠层连接孔的抗疲劳性能及其与制孔质量的关联模型、复合材料叠层连接件制孔工艺优化与加工质量主动控制、复合材料叠层连接件机械连接的抗疲劳性能评价与优化等三个方面开展研究，先后完成了CFRP切削加工缺陷形成机理与加工质量评价方法、CFRP/Ti叠层钻削材料去除机理及工艺、CFRP/合金叠层螺旋铣孔与大直径孔钻-扩-铰制孔工艺优化试验研究、CFRP/合金叠层铣削温度测量方法和基于抗疲劳制造的CFRP连接孔力学性能与疲劳性能评价等，开发了CFRP/合金叠层低频振动自适应精密制孔工艺与装备，提出了高一致性、稳定制孔精度和孔壁质量的孔精密加工工艺方法。本项目研究成果对于高效精密装配技术规范的制订提供关键技术支撑. 本项目成果——复合材料加工刀具与高效加工工艺技术，在国内航空制造企业获得推广应用，并作为主要关键技术之一，获得2017年度国家科技进步二等奖。