非結構墊片修理對結構強度影響研究

朱杰

摘 要：該文針對民用飛機制造過程中常見的裝配間隙問題，研究了采用非結構墊片補償間隙后結構的強度分析方法。首先總結了工程上非結構墊片的一般使用要求包括墊片數目，最大允許間隙和材料等要求。其次對加墊后的結構進行受力分析，主要考慮鉚釘所受剪力和由增加墊片導致的偏心距增加所引起的彎矩作用，給出了兩種靜強度和疲勞強度評估方法。最后通過某超差實例，應用提出的方法對該實際問題進行了強度評估，結果表明該方法考慮因素全面且簡單清晰，可用于對飛機制造過程中的非結構墊片修理進行評估。

關鍵詞：非結構墊片 裝配間隙

中圖分類號：TH131 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0035-03

飛機裝配是整個制造過程中的關鍵環節，也是容易出偏差的環節。在飛機投入生產相當長的時間后，仍可能由于公差積累而產生裝配偏差。出于制造成本考慮，設計時不可能把尺寸公差要求過高。對于裝配間隙，生產現場一般先通過指壓法判定，如果采用指壓法能夠消除間隙，則工程可接受，否則，需要加墊以補償裝配間隙。墊片分非結構墊片和結構墊片，前者不參與傳力而后者參與傳力，一般在保證原結構剛度的前提下，采用非結構墊片處理。

依據目前的技術資料[1]及工程經驗，對非結構墊片的使用要求有：

（1）一處間隙只允許安裝一個墊片；

（2）允許加墊的最大間隙為0.2 inch；

（3）安裝后最大允許間隙0.005 inch；

（4）斜削墊片最小厚度（0.015±0.005）inch；

（5）非結構墊片材料與原結構材料相近。

此外還需要考慮密封要求，填充要求以及制造加工標準和不同金屬間的保護等要求。為了保證飛機安全，有時還需要對加墊后的結構強度進行分析，該文主要針對加墊后強度問題作了研究。

1 非結構墊片強度評估研究

增加非結構墊片后，結構偏心距增大，其增加量即為墊片厚度。對加墊后緊固件進行受力分析如圖1。一般地，緊固件抗附加彎矩的能力越強，允許加的墊片厚度越大。下面從靜強度和疲勞強度兩方面進行評估。

1.1 加墊后的靜強度影響評估

一般的方法是通過計算緊固件釘桿的彎剪復合裕度來評估[1]是否安全，具體如下：

（為螺栓許用彎矩），可得許用剪切載荷。若大于螺栓單剪許用值時，則取。若，則；如果，則，取上述最小值作為加墊后許用剪切載荷，若大于工作載荷則靜強度可接受。該方法思路是通過螺栓許用彎矩及緊固件尺寸和材料參數和墊片厚度求出相關的許用剪切載荷。

1.2 加墊后的疲勞強度評估

根據工程經驗，目前對于非結構墊片處置后的疲勞強度評估有兩種方法：

（1）緊固件孔邊為疲勞危險位置，加墊后引起的附加彎曲應力會增加緊固件孔邊的擠壓應力，進而降低疲勞壽命。因此，可以計算出附加彎曲應力并疊加到原擠壓應力上，計算得到新的緊固件載荷傳遞系數，以此考慮非結構墊片的影響。

（2）對于結構本體的疲勞強度，可用加墊后的超差后材料疊層厚度系數D，來考慮附加彎矩對結構DFR值的影響。疊層厚度系數D主要表征低載荷傳遞結構中孔填充的弱化及二次載荷傳遞對疲勞性能的影響。對于孔填充系數A小于1.15的鉚接結構，疊層厚度為緊固件所連結構的總夾層厚度；對于螺栓連接盒孔填充系數大于等于1.15的結構鉚接結構，疊層包括所有連續結構元件，但不包括局部接頭以及墊片、墊圈、和曲面墊塊等非結構元件。

2 非結構墊片強度分析實例

某型飛機一加強框框緣與框緣連接件連接根部存在間隙，間隙區域剖視圖見圖3。工程處理意見為制作最大厚度為0.8 mm的特制墊片安裝于間隙處，下面對該處置方案進行強度評估。

查閱圖紙得超差部位緊固件為2排共6顆HST10AG6-6，立邊連接處為五顆HST12AP-8-8高鎖螺栓。

通過全機有限元模型及內力解獲得該連接在最嚴重工況下所傳遞的軸力P為61 330 N。軸力通過11顆材料相同的緊固件傳遞，載荷按面積分配可得底邊單顆緊固件載荷F=61 330×4.762/（6×4.762+5×6.352）=4 116 N，按3.1節方法計算得附加彎曲應力=155.47 MPa，取957.7 MPa，[F]取11 965 N，可得彎剪聯合裕度=1.62>0，靜強度可接受。

超差前該部位的DFR為77.478 MPa，疲勞裕度為0.16，加墊后可能對夾層系數D有影響。該細節孔填充系數A≥1.15，疊層厚度6.34 mm，緊固件直徑4.76 mm，厚度/直徑=1.33<2 mm，查資料得疊層厚度系數仍為1，加墊對DFR 大小無影響，疲勞裕度無減小，疲勞強度可接受。

3 結語

該文針對飛機裝配間隙超差問題，總結了用非結構墊片進行處置的一般要求，并給出一般情況下不同緊固件所允許非結構墊片最大厚度?？紤]到加墊引起的附加彎矩對結構的不利影響，對靜強度和疲勞強度兩方面的強度評估方法進行了研究，并將分析方法運用于一實際超差問題，完成了對該超差的評估。

參考文獻

[1] 中國航空工業總公司第六四〇研究所.麥道飛機聯絡工程手冊，[M].北京：航空工業出版社，1997.

[2] EF Bruhn.Analysis and Design of Flight Vehicle Structures，[M].USA：Tri-State Offset Company，1973.