承載結(jié)構(gòu)的墊片設(shè)計(jì)

胡杰 李維娜

【摘 要】加墊是工程中最常用的消除間隙的方法。按墊片是否承受和傳遞載荷，可將墊片分為結(jié)構(gòu)墊片和非結(jié)構(gòu)墊片兩種。結(jié)構(gòu)墊片可看成是結(jié)構(gòu)加強(qiáng)板，參與載荷傳遞。非結(jié)構(gòu)墊片不參與傳力，會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。允許的非結(jié)構(gòu)墊片厚度與載荷、緊固件類型以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)有關(guān)，使用時(shí)需進(jìn)行充分的強(qiáng)度分析。

【關(guān)鍵詞】加墊;飛機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）11-0036-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.016

【Abstract】Gaps are often found between structural surfaces/interfaces due to manufacture and assembly accuracy. Shims are used to fill in the gap and avoid assembly stress.Structural shim can be seen as reinforcement of structure elements，which also transmit parts of loads.Non-structural shim does not transmit loads and can cause additional moment.

【Key words】Shim;Aircraft design

受制造和裝配精度制約，結(jié)構(gòu)之間難免會(huì)出現(xiàn)各種間隙。為避免附加應(yīng)力，應(yīng)在結(jié)構(gòu)間加墊填補(bǔ)間隙。允許加墊的厚度與載荷、緊固件以及墊片是否參與傳力有關(guān)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，0.2mm以下的間隙允許不加墊，直接進(jìn)行緊固連接。0.2mm～0.8mm的間隙，可以使用可剝墊片加墊。可剝墊片為金屬薄片層壓制成，層間結(jié)合力弱，不能承受面外和彎曲載荷，超過(guò)0.8mm的間隙，通常使用金屬板材加工固體墊片進(jìn)行加墊。工程允許加墊的最大厚度為5mm，且不允許疊層加墊。根據(jù)墊片是否參與傳力，可將墊片分為結(jié)構(gòu)墊片和非結(jié)構(gòu)墊片。進(jìn)行墊片設(shè)計(jì)時(shí)，需詳細(xì)考慮加墊對(duì)連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

1 非結(jié)構(gòu)墊片

非結(jié)構(gòu)墊片僅作貼合面間隙填充，如圖1所示，假設(shè)構(gòu)件A和B的厚度為T，間隙為t。加墊后，緊固件的偏心矩由PT增加到P（t+T）。加墊引起的附加彎矩為Pt。如果加墊區(qū)域有n個(gè)緊固件，不考慮端頭緊固件的峰值效應(yīng)（峰值效應(yīng)可通過(guò)構(gòu)件端頭斜削優(yōu)化來(lái)避免），每顆緊固件處載荷可以認(rèn)為是P/n，那么每個(gè)緊固件的附加彎矩為Pt/n。如果緊固件可以承受的附加彎矩一定，那么加墊區(qū)域越大，即n越大，允許加墊的厚度越大。

加墊對(duì)緊固件影響較大，使緊固件承受彎剪復(fù)合載荷。緊固件彎剪聯(lián)合作用的安全裕度可由式（1）計(jì)算：

民機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常讓緊固件為結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。圖1所示結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的失效模式有：緊固件剪切破壞，構(gòu)件拉伸破壞、構(gòu)件釘孔擠壓破壞、釘間失穩(wěn)等。設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)讓緊固件剪切破壞裕度最小。這樣一旦出現(xiàn)超過(guò)設(shè)計(jì)載荷的未預(yù)料情況，緊固件會(huì)優(yōu)先發(fā)生破壞。這樣設(shè)計(jì)出于兩點(diǎn)考慮，一是緊固件斷裂是局部損傷不易擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞后容易擴(kuò)展，導(dǎo)致大片區(qū)域失效;二是緊固件斷裂可視易檢，便于及早發(fā)現(xiàn)并采取措施。因此，對(duì)于大部分的加墊情況，僅需按式（1）校核緊固件強(qiáng)度。

2 結(jié)構(gòu)墊片

結(jié)構(gòu)間隙過(guò)大時(shí)，墊片僅作間隙填充會(huì)導(dǎo)致附加彎矩過(guò)大引起緊固件或連接構(gòu)件破壞，這時(shí)可以采用結(jié)構(gòu)墊片。如圖2所示，墊片本身參與傳力。墊片可看成是構(gòu)件B的加強(qiáng)板，與構(gòu)件B一起將載荷P傳給構(gòu)件A。以圖2為例，假設(shè)P=36kN，構(gòu)件A和B厚4mm，材料為2024-T3;墊片厚2mm，材料為2024-T3;緊固件為6號(hào)高鎖螺栓，剪切強(qiáng)度為12kN。A上的載荷P向墊片和B上傳遞，假設(shè)載荷分配與厚度成比例，則墊片分擔(dān)的載荷為12kN，B分擔(dān)24kN。墊片釘孔擠壓強(qiáng)度為7500N，則墊片與A連接的緊固件數(shù)量至少為：12000/7500=1.6（取整為2個(gè)）。圖2中使用3個(gè)緊固件，滿足強(qiáng)度要求。然后確定墊片寬度W，2024-T3的拉伸強(qiáng)度430MPa，則12000/2W≤430，得出W≥13.9mm?？紤]緊固 件2D邊距，W可取4D，即19mm。

3 總結(jié)

墊片主要作用是消除間隙，補(bǔ)償制造和裝配誤差。非結(jié)構(gòu)墊片不參與傳力，對(duì)緊固件會(huì)產(chǎn)生附加彎矩作用。允許的非結(jié)構(gòu)墊片厚度與受力大小、受力性質(zhì)（緊固件受拉還是受壓）以及緊固件類型有關(guān)。結(jié)構(gòu)墊片參與傳力，可以看成是構(gòu)件的加強(qiáng)板，可有效降低附加彎矩。作者簡(jiǎn)介：胡杰（1987—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，飛行器設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：胡杰（1987—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，飛行器設(shè)計(jì)。