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GLARE层板铆接工艺及对疲劳寿命影响研究

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玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)凭借其优异的综合性能在航空领域得以成功应用，将来极有可能应用于国产宽体客机。国内外业已开展多个领域内GLARE的应用研究，然而，国内关于GLARE的装配连接仍未形成系统的研究，严重阻碍了GLARE的工程应用。 本文基于以上背景，以两种厚度、四种铺层的3/2结构GLARE为研究对象，首先开展了钻孔工艺中的刀具选用和切削参数优化研究；其次，分析评价了GLARE的制孔质量、干涉量以及铆接质量，确定最佳干涉量的范围；随后，通过大量疲劳试验得到了四种铆接件的S-N曲线，同时深入分析研究了纤维铺层和湿热老化对铆接接头疲劳寿命的影响，以揭示其疲劳退化机制和湿热老化行为；最终，探讨了静态及动态载荷下铆接件的破坏形式，确定铆接件的薄弱位置，并提出了优化铆接接头设计和铆接工艺的可行性建议。得出的结论如下： (1)GLARE的钻孔工艺研究表明，针对飞机上常用的直径约4.0mm的连接孔，采用顶角为120°，螺旋角为30°，横刃宽度为0.06d0——两排屑槽的TiAlN涂层硬质合金刀具，主轴转速为7500rpm，进给速度为0.10mm/rev时，钻孔质量优异，钻孔效率和表面完整性高。随后，通过三维视频显微镜(3-DVM)和扫描电镜(SEM)等手段证实，采用上述钻孔参数时孔表面质量优异。 (2)GLARE4C、GLARE4B、GLARE2A和GLARE3单钉铆接件的研究表明，当铆钉镦头厚度分别为2.5mm、2.0mm、3.0mm和2.5mm，即干涉量在0.98%~1.61%范围内时，其铆接接头的抗拉性能优良。随后，对GLARE单钉铆接件截面进行SEM观察，结果表明在上述干涉量范围内，铆钉的膨胀更为均匀，原钻孔表面上不平整的损伤区域被碾平而得到修复，减少了微裂纹源，改善了孔周的应力分布状态。 (3)GLARE铆接件的耐疲劳性能与0°纤维体积分数密切相关，同时受试样厚度的影响。拉-拉疲劳载荷作用下，单向层板的平均疲劳寿命高于相同结构正交层板7倍以上，且铆接件的疲劳寿命随其厚度增加而增加。单向层板尤其适用于单向承载且对疲劳性能要求较高的部位。交变载荷较为复杂的部位，考虑采用正交层板。 (4)经过1500h湿热老化处理(70℃/85%RH)，树脂基体经历了复杂的吸湿过程，纤维/树脂湿膨胀不匹配产生界面应力，导致纤维/树脂界面的弱化，阻碍环氧树脂基体和玻璃纤维之间载荷的有效转移，致使铆接接头的抗拉强度和疲劳寿命下降超过16%。 (5)GLARE多钉铆接接头的静载和疲劳失效模式较为复杂，以层板拉伸破坏和铆钉剪切破坏为主。此外，研究结果表明，铆接接头的薄弱位置位于三行铆钉中的外行铆钉。因此，疲劳设计与铆接工艺制定中，应注意提高外铆钉行的承载能力，合理增大铆钉孔到边缘的距离，适当减小铆钉和铝合金外表面的表面粗糙度。

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