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[摘 要]紧固件间距是影响复合材料连接强度的重要因素之一，该文就紧固件间距对双剪试验件破坏载荷的影响进行了试验研究，给出了同样铺层的碳纤维复合材料在不同紧固件间距情况下的连接破坏载荷。
[关键词]复合材料 连接 坚固件间距 试验
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0100-01
复合材料是20世纪60年代崛起的一大类新型材料，其强度高、刚度大、质量轻、并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点，一经问世就显示了强大的生命力。目前先进复合材料在航空航天、能源、交通、建筑、生物、医疗等领域中获得了广泛的应用。
先进复合材料与金属材料相比具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于飞机结构上，可比常规的金属结构减重25%～30%。因此，航空航天及各种领域的结构设计中越来越多的采用复合材料结构，特别在民用航空领域，波音787飞机的复合材料用量已达50%，最新研制的空客A350飞机复合材料用量将超过50%。
由于复合材料成型工艺技术水平的限制和复合材料构件不可避免要与金属零部件相连接，在复合材料结构上仍存在大量的连接问题，且由于复合材料的特殊性，其连接分析很大程度上依赖试验研究。而螺栓紧固件间距是影响复合材料连接强度的重要因素之一，該文给出了同种铺层碳纤维复合材料在不同紧固件间距情况下的连接破坏载荷，可以为复合材料连接强度分析及故障处理提供依据。
1试验类型和试验条件
试件为由预浸料CYCOMX850-35-12KIM+-190制成的层板结构，铺层信息见表1。
紧固件选用HST12-6钛合金高锁螺栓，连接形式为双剪搭接单排双列的试验件紧固件间距分别为4D，5D，6D；连接形式为双剪搭接双排双列的试验件紧固件间距分别为4D，5D，每种试验件各5件。
试验设备为INSTRON8803试验机，在标准试验室环境下进行（温度23±3℃；湿度50±10%RH）。
2试验结果与分析
（1）对于双剪搭接单排双列连接件，随着间距增加，连接件极限承载能力降低。间距为24mm连接件的极限承载能力比间距为20mm连接件的极限承载能力低0.8%，而间距为29mm连接件的极限承载能力比间距为24mm连接件的极限承载能力低2%。对于双剪搭接双排双列连接件，间距为24mm连接件的极限承载能力比间距为20mm连接件的极限承载能力低1.5%。间距为24mm的单剪搭接单排双列连接件的极限承载能力是同间距双剪搭接单排双列连接件极限承载能力的60.6%。
（2）对于双剪搭接单排双列连接件，随着间距增加，间距为24mm连接件的4%变形载荷比间距为20mm连接件的4%变形载荷高3.3%，而间距为29mm连接件的4%变形载荷比间距为24mm连接件的4%变形载荷低5.5%。对于双剪搭接双排双列连接件，间距为24mm连接件的4%变形载荷比间距为20mm连接件的4%变形载荷低2.4%。间距为24mm的单剪搭接单排双列连接件的4%变形载荷是同间距双剪搭接单排双列连接件4%变形载荷的31.6%。
3紧固件生产线单元生产方式的导入
3.1单元生产方式改善措施分析公司紧固件机加生产工艺简单，以轴类和环型零件为主，产品加工工序数较少，单个零件重量和体积小，搬运轻便，有利于根据产品工艺路线配置设备和作业人员，构建生产单元以导入单元生产方式[3]。
3.1.1生产单元的设备布局设计。按紧固件的成组工艺（如图1），设立8个生产单元，生产单元采用U型或双排直线型设备布置方式，使物料的生产单元出入口处于同一侧，形成单向不交叉的物料移动路径，物流距离得到较大幅度的缩短[5]。车间滚丝机和磨床，设备数量较少，但设备加工效率较高，因此将这类零件通过频率高且通过品种数较多的设备，设立4个公用设备生产单元，为多个生产单元的零件进行磨削和滚丝的加工。
3.1.2生产单元内推行一人多工序作业，使产品生产加工作业人数弹性化[4]。公司紧固件生产线自动化程度高的设备较多，产品工艺相对成熟稳定，容易实现手工作业和设备加工作业的合并。以紧固件工序3为例，单个零件车削、铣削时间相对较长，后续工序是钳工等手工作业，以往每道工序安排一人完成，造成过多的流转和排队次数，生产周期无法缩短。改进后的生产线将车削、铣削与钳工工位合并，实行一人多工序作业，提高了产品的生产效率，减少了同一批产品作业人数，在产品批量变化时，能够更灵活的配置作业人员数量。
3.1.3改进车间产品流转和生产方式，采用较小批量，以较短间隔期在生产单元内的设备之间进行连续流转和生产，使同一批产品各工序生产并行，生产周期得到较大幅度缩短。根据每批产品数量的不同，车间调度员会进行产品批量分解，将批量较大的产品分解为多个批次在单元内生产。改进后的流转和生产方式，减少了以往无论批量大小均在工段间流转生产，而产生的大量排队等待、存储次数和时间。
3.1.4改进设备加工产品时使用的工装夹具，提高设备装夹和调试效率，同时通过IE手法改进设备切换作业程序。如改进车床软爪和硬爪等夹具，软硬爪做成一体，消除了零件材料或材质变化时，软硬爪的更换，减少了工装夹具更换时间；在单元内根据不同零件族的加工工艺，配备相应的工装夹具，并进行合理的布置，减少作业人员走动距离和次数，缩短进行设备切换时的工器具准备时间，以及工装临时准备次数[6]。
3.1.5车间生产现场实行定置管理，对生产现场尤其是生产单元内，严格划定在制品、成品和不合格品的存放区域，并使用不同颜色的托盘盛装不同批次产品，防止产品生产时的混批问题发生；加强生产现场管理人员和作业人员质量意识的培训，严格要求生产单元作业人员按操作规范生产，并按生产单元划分产品质量负责小组，出入单元的产品的质量由单元内作业员共同负责，提高了员工在产品生产时的质量意识，和作业相互监督意识。
3.2改善效果分析通过单元生产方式在紧固件生产线的推行和实施，简化了车间工段间复杂的生产调度，减少了车间管理人员因大量重复的生产准备产生的工作量，有效地消除了车间传统批量生产方式下，产品成批生产产生的过多的搬运存储、不合理物流路径，以及过长的产品生产排队等待时间，使产品生产效率得到了明显的提高，生产周期较大幅度的缩短，生产周期从过去的10天到35天，缩短为4到7天。改善了车间生产现场的管理，减少了产品因混批带来的大量返工和材料浪费，单元内员工相互监督，减少了流向下工序的不合格品，预计可以使产能从1～1.4万件/天提升到1.3～2万件/天，产品合格率提高15%。
4结语
对于双剪搭接单排双列和双剪搭接双排双列连接件，连接形式和紧固件形式一致，仅紧固件间距不同的情况下，随着紧固件间距的增大，最终破坏载荷逐渐减小。
以上数据仅得出了部分连接情况下紧固件间距对连接强度的影响，后续将开展更多的此方面研究，得到更多的数据，用以进行紧固件连接方面的研究。
参考文献
[1]汪海，谢鸣九.复合材料层压板钛螺栓连接强度试验研究，第九届全国复合材料学术会议论文集[M].北京：世界图书出版公司，1996.
[关键词]复合材料 连接 坚固件间距 试验
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0100-01
复合材料是20世纪60年代崛起的一大类新型材料，其强度高、刚度大、质量轻、并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点，一经问世就显示了强大的生命力。目前先进复合材料在航空航天、能源、交通、建筑、生物、医疗等领域中获得了广泛的应用。
先进复合材料与金属材料相比具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于飞机结构上，可比常规的金属结构减重25%～30%。因此，航空航天及各种领域的结构设计中越来越多的采用复合材料结构，特别在民用航空领域，波音787飞机的复合材料用量已达50%，最新研制的空客A350飞机复合材料用量将超过50%。
由于复合材料成型工艺技术水平的限制和复合材料构件不可避免要与金属零部件相连接，在复合材料结构上仍存在大量的连接问题，且由于复合材料的特殊性，其连接分析很大程度上依赖试验研究。而螺栓紧固件间距是影响复合材料连接强度的重要因素之一，該文给出了同种铺层碳纤维复合材料在不同紧固件间距情况下的连接破坏载荷，可以为复合材料连接强度分析及故障处理提供依据。
1试验类型和试验条件
试件为由预浸料CYCOMX850-35-12KIM+-190制成的层板结构，铺层信息见表1。
紧固件选用HST12-6钛合金高锁螺栓，连接形式为双剪搭接单排双列的试验件紧固件间距分别为4D，5D，6D；连接形式为双剪搭接双排双列的试验件紧固件间距分别为4D，5D，每种试验件各5件。
试验设备为INSTRON8803试验机，在标准试验室环境下进行（温度23±3℃；湿度50±10%RH）。
2试验结果与分析
（1）对于双剪搭接单排双列连接件，随着间距增加，连接件极限承载能力降低。间距为24mm连接件的极限承载能力比间距为20mm连接件的极限承载能力低0.8%，而间距为29mm连接件的极限承载能力比间距为24mm连接件的极限承载能力低2%。对于双剪搭接双排双列连接件，间距为24mm连接件的极限承载能力比间距为20mm连接件的极限承载能力低1.5%。间距为24mm的单剪搭接单排双列连接件的极限承载能力是同间距双剪搭接单排双列连接件极限承载能力的60.6%。
（2）对于双剪搭接单排双列连接件，随着间距增加，间距为24mm连接件的4%变形载荷比间距为20mm连接件的4%变形载荷高3.3%，而间距为29mm连接件的4%变形载荷比间距为24mm连接件的4%变形载荷低5.5%。对于双剪搭接双排双列连接件，间距为24mm连接件的4%变形载荷比间距为20mm连接件的4%变形载荷低2.4%。间距为24mm的单剪搭接单排双列连接件的4%变形载荷是同间距双剪搭接单排双列连接件4%变形载荷的31.6%。
3紧固件生产线单元生产方式的导入
3.1单元生产方式改善措施分析公司紧固件机加生产工艺简单，以轴类和环型零件为主，产品加工工序数较少，单个零件重量和体积小，搬运轻便，有利于根据产品工艺路线配置设备和作业人员，构建生产单元以导入单元生产方式[3]。
3.1.1生产单元的设备布局设计。按紧固件的成组工艺（如图1），设立8个生产单元，生产单元采用U型或双排直线型设备布置方式，使物料的生产单元出入口处于同一侧，形成单向不交叉的物料移动路径，物流距离得到较大幅度的缩短[5]。车间滚丝机和磨床，设备数量较少，但设备加工效率较高，因此将这类零件通过频率高且通过品种数较多的设备，设立4个公用设备生产单元，为多个生产单元的零件进行磨削和滚丝的加工。
3.1.2生产单元内推行一人多工序作业，使产品生产加工作业人数弹性化[4]。公司紧固件生产线自动化程度高的设备较多，产品工艺相对成熟稳定，容易实现手工作业和设备加工作业的合并。以紧固件工序3为例，单个零件车削、铣削时间相对较长，后续工序是钳工等手工作业，以往每道工序安排一人完成，造成过多的流转和排队次数，生产周期无法缩短。改进后的生产线将车削、铣削与钳工工位合并，实行一人多工序作业，提高了产品的生产效率，减少了同一批产品作业人数，在产品批量变化时，能够更灵活的配置作业人员数量。
3.1.3改进车间产品流转和生产方式，采用较小批量，以较短间隔期在生产单元内的设备之间进行连续流转和生产，使同一批产品各工序生产并行，生产周期得到较大幅度缩短。根据每批产品数量的不同，车间调度员会进行产品批量分解，将批量较大的产品分解为多个批次在单元内生产。改进后的流转和生产方式，减少了以往无论批量大小均在工段间流转生产，而产生的大量排队等待、存储次数和时间。
3.1.4改进设备加工产品时使用的工装夹具，提高设备装夹和调试效率，同时通过IE手法改进设备切换作业程序。如改进车床软爪和硬爪等夹具，软硬爪做成一体，消除了零件材料或材质变化时，软硬爪的更换，减少了工装夹具更换时间；在单元内根据不同零件族的加工工艺，配备相应的工装夹具，并进行合理的布置，减少作业人员走动距离和次数，缩短进行设备切换时的工器具准备时间，以及工装临时准备次数[6]。
3.1.5车间生产现场实行定置管理，对生产现场尤其是生产单元内，严格划定在制品、成品和不合格品的存放区域，并使用不同颜色的托盘盛装不同批次产品，防止产品生产时的混批问题发生；加强生产现场管理人员和作业人员质量意识的培训，严格要求生产单元作业人员按操作规范生产，并按生产单元划分产品质量负责小组，出入单元的产品的质量由单元内作业员共同负责，提高了员工在产品生产时的质量意识，和作业相互监督意识。
3.2改善效果分析通过单元生产方式在紧固件生产线的推行和实施，简化了车间工段间复杂的生产调度，减少了车间管理人员因大量重复的生产准备产生的工作量，有效地消除了车间传统批量生产方式下，产品成批生产产生的过多的搬运存储、不合理物流路径，以及过长的产品生产排队等待时间，使产品生产效率得到了明显的提高，生产周期较大幅度的缩短，生产周期从过去的10天到35天，缩短为4到7天。改善了车间生产现场的管理，减少了产品因混批带来的大量返工和材料浪费，单元内员工相互监督，减少了流向下工序的不合格品，预计可以使产能从1～1.4万件/天提升到1.3～2万件/天，产品合格率提高15%。
4结语
对于双剪搭接单排双列和双剪搭接双排双列连接件，连接形式和紧固件形式一致，仅紧固件间距不同的情况下，随着紧固件间距的增大，最终破坏载荷逐渐减小。
以上数据仅得出了部分连接情况下紧固件间距对连接强度的影响，后续将开展更多的此方面研究，得到更多的数据，用以进行紧固件连接方面的研究。
参考文献
[1]汪海，谢鸣九.复合材料层压板钛螺栓连接强度试验研究，第九届全国复合材料学术会议论文集[M].北京：世界图书出版公司，1996.