矯形力與墊片補(bǔ)償對(duì)復(fù)合材料裝配結(jié)構(gòu)變形及螺栓夾緊力的影響

摘 要：飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件成型精度較低進(jìn)而導(dǎo)致裝配間隙，可施加矯形力減小甚至消除間隙，若存在較大間隙需施加墊片進(jìn)行補(bǔ)償。以復(fù)合材料壁板為對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)的方法，觀測(cè)壁板在矯形、螺栓連接以及撤矯形力過(guò)程的變形，以及矯形力撤出后螺栓夾緊力的變化。結(jié)果表明：壁板變形量隨矯形力的增大而增大，相應(yīng)墊片補(bǔ)償尺寸減小，當(dāng)矯形力達(dá)一定程度時(shí)，變形量趨于穩(wěn)定；撤矯形力后，壁板回彈量隨矯形力值近似呈線性關(guān)系，當(dāng)矯形力達(dá)150 N時(shí)，最大回彈量為0.117 mm，占裝配間隙的7.83%；撤矯形力后各區(qū)域螺栓夾緊力都有增加趨勢(shì)，其中壁板與骨架存在間隙的區(qū)域，夾緊力增長(zhǎng)相對(duì)明顯，夾緊力變化最大為50 N，增長(zhǎng)率為1%左右。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)裝配；復(fù)合材料；矯形力；填隙補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：V262.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-5276（2024）04-0042-06

Effect of Orthopedic Forces and Shim Compensation on Deformation of Composite Assembly Structure and Bolt Clamping Force

ZHAO Fushan^a，b， AN Luling^a，b， YUE Xuande^a，b， ZHANG Yongming^a，b， LI Yufei^a，b

（a. College of Mechanical and Electronic Engineering; b. Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-manufacturing Technology， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract：The assembly clearance caused by low accuracy of aircraft composite component formation can be reduced or even eliminated by applying a straightening force， and a larger gap can be compensated by applying a shim. Composite wall plate was taken as reserch subject to observe its deformation during the process of straightening， bolting and withdrawal of straightening force as well as the change of bolt clamping force after the withdrawal of straightening force by the test method. The results show that the deformation of the wall plate increases with the increase of the orthopedic force， the corresponding shim compensation size decreases， and when orthopedic forces reach a certain degree， the deformation tends to stabilize. After the withdrawal of the orthopedic force， the rebound of the wall plate assumes approximate linear relationship with the value of the orthopedic force， and when orthopedic forces reach 150 N， the maximum rebound is 0.117 mm， accounting for 7.83% of the assembly gap. After the withdrawal of the orthopedic force， the bolt clamping force in each area has a tendency to increase， among which， the region where the gap between the wall plate and the skeleton exists， the clamping force grows relatively obviously， and when the maximum change in clamping force is 50 N， the growth rate reaches around 1%.

Keywords：aircraft assembly; composite materials; orthopedic forces; gap-filling compensation

0 引言

在飛機(jī)制造領(lǐng)域，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛。相比于傳統(tǒng)金屬材料，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗沖擊性能強(qiáng)、能大幅減少裝配中使用的連接件數(shù)量、提升構(gòu)件性能及工作壽命等優(yōu)點(diǎn)^[1-3]。由于復(fù)材構(gòu)件的固化過(guò)程難以控制，且回彈和翹曲較大，使得構(gòu)件的尺寸和形狀精度較低，導(dǎo)致裝配時(shí)接合面容易產(chǎn)生不規(guī)則的間隙^[4-5]，而對(duì)裝配間隙處理的方式主要包括外力矯形和填隙補(bǔ)償。當(dāng)間隙較大時(shí)，外力強(qiáng)迫裝配會(huì)造成嚴(yán)重的裝配變形，同時(shí)在復(fù)合材料構(gòu)件中產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，甚至分層損傷進(jìn)而損壞構(gòu)件^[6]；若填隙補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償尺寸的增大，導(dǎo)致接頭剛度和承載能力下降以及后期飛機(jī)服役時(shí)構(gòu)件出現(xiàn)損傷的時(shí)間更早等^[7]。因此，可施加適當(dāng)?shù)某C形力對(duì)構(gòu)件進(jìn)行偏差調(diào)整，進(jìn)而消除部分間隙，使構(gòu)件裝配既滿(mǎn)足外形偏差要求又不會(huì)引入較大的裝配應(yīng)力，然后對(duì)仍存在的較大間隙進(jìn)行墊片補(bǔ)償，即矯形力與填隙補(bǔ)償共同作用的方法對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行裝配。

本文通過(guò)試驗(yàn)的方法，研究矯形力與墊片補(bǔ)償對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配變形和螺栓預(yù)緊力的影響。建立復(fù)材壁板裝配模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M壁板裝配過(guò)程，通過(guò)比較不同矯形力大小對(duì)剩余間隙進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r，分析壁板裝配過(guò)程的變形，主要包括矯形、螺栓連接和撤矯形力過(guò)程以及矯形力撤出后螺栓夾緊力的變化，進(jìn)而研究矯形力和墊片補(bǔ)償共同作用對(duì)復(fù)材壁板裝配變形和矯形力撤出后螺栓夾緊力變化的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程描述

以復(fù)材壁板的裝配為例，其裝配過(guò)程如圖1所示。首先，通過(guò)工裝對(duì)與壁板有裝配關(guān)系的骨架進(jìn)行定位，并以骨架為基準(zhǔn)通過(guò)DA孔對(duì)壁板完成定位；然后，施加矯形力進(jìn)行壁板變形控制；矯形完成后，對(duì)壁板與骨架之間的貼合面進(jìn)行間隙檢測(cè)，制作合適尺寸的墊片進(jìn)行填隙補(bǔ)償，并制孔連接；最后，撤出矯形力對(duì)復(fù)合材料壁板約束釋放，完成裝配。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試樣設(shè)計(jì)與試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

以飛機(jī)翼盒中復(fù)材壁板裝配為例，翼盒主要由壁板、梁、肋3部分組成，其中壁板為復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)，梁和肋構(gòu)成翼盒骨架，構(gòu)件之間通過(guò)螺栓進(jìn)行連接。由于復(fù)合材料壁板制造和裝配偏差的存在，壁板的下表面和肋緣條接觸面會(huì)產(chǎn)生裝配間隙，且間隙跨度大、分布面廣。為便于研究間隙存在時(shí)復(fù)材壁板的裝配，對(duì)研究模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要包括翼盒結(jié)構(gòu)的等比縮減、裝配構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征的簡(jiǎn)化、壁板和翼肋緣條之間采用均勻間隙等，如圖2所示。

復(fù)合材料壁板為T(mén)300碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，其鋪層順序?yàn)閇+45/90/-45/0/90/0/-45/90/+ 45/-45]s，共鋪疊20層，以中面對(duì)稱(chēng)鋪層，單層名義厚度為0.16mm，設(shè)置梁、肋與壁板配鉆的連接孔為等間距分布，間距為80mm，孔徑為5mm，共24個(gè)連接孔，則壁板尺寸及連接孔編號(hào)如圖3所示。

試驗(yàn)基于簡(jiǎn)化后的復(fù)材壁板裝配模型，根據(jù)壁板的定位夾緊工藝和矯形方式，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)工裝模擬壁板裝配過(guò)程。試驗(yàn)裝置由主體框架、梁定位器、壁板輔助定位器、矯形器和滑動(dòng)定位板等部分組成，如圖4所示。

矯形器通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓桿使之沿垂直壁板方向移動(dòng)進(jìn)而獲得矯形力，其端部測(cè)力傳感器通過(guò)連接環(huán)與壓桿相連，傳感器測(cè)得的信號(hào)傳輸?shù)斤@示器上，獲得矯形力值。壁板與骨架之間通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，螺栓型號(hào)為M5的普通螺栓，螺栓連接后矯形力的撤出會(huì)導(dǎo)致螺栓夾緊力發(fā)生變化，因此，本文選擇環(huán)形壓力傳感器以及配套的顯示器對(duì)螺栓夾緊力的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮較大間隙時(shí)，矯形力與墊片補(bǔ)償共同作用對(duì)復(fù)材裝配結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)置復(fù)材壁板與肋緣條間的裝配間隙為1.5mm；由文獻(xiàn)[8-9]飛機(jī)壁板類(lèi)構(gòu)件矯形方式的研究，本文中矯形力的布局設(shè)置為5×3陣列點(diǎn)形式，每列間距為80mm，且每列位置放在壁板與肋緣條存在間隙的位置，各點(diǎn)矯形力數(shù)值相同，范圍是0～150N，間隔為25N。根據(jù)螺栓型號(hào)選取螺栓夾緊力為5kN。試驗(yàn)采用玻璃纖維可剝墊片，根據(jù)測(cè)量剩余間隙情況裁剪相應(yīng)厚度和尺寸。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑找砗醒b配的工藝流程進(jìn)行裝夾。將梁與肋組成的骨架結(jié)構(gòu)通過(guò)工裝進(jìn)行定位并固定，并使用塞尺在肋緣條和壁板內(nèi)表面間設(shè)置均勻間隙，壁板與梁緣條不設(shè)置間隙。試驗(yàn)采用3D-DIC系統(tǒng)對(duì)壁板的表面變形進(jìn)行全場(chǎng)3D測(cè)量，在壁板表面制作黑白散斑點(diǎn)，通過(guò)2個(gè)工業(yè)相機(jī)，使用Vic-snap軟件對(duì)壁板裝配過(guò)程進(jìn)行圖像采集，最后導(dǎo)入Vic-3D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得壁板裝配過(guò)程的整體變形情況。

試驗(yàn)操作如圖6所示。將復(fù)材壁板的裝配分為5個(gè)過(guò)程：定位、矯形、測(cè)隙填隙、螺栓連接和矯形力撤出。1）壁板下緣和左緣分別定位在工裝的定位塊上；2）矯形力施加順序?yàn)閱瘟锌刂?，通過(guò)監(jiān)控力傳感器示數(shù)控制其數(shù)值相同；3）設(shè)置一定的間隔通過(guò)塞尺進(jìn)行間隙測(cè)量，制作的墊片近似為階梯狀，最終在肋緣條上施加墊片效果如圖7所示；4）測(cè)轉(zhuǎn)矩扳手安裝螺栓，并控制螺栓夾緊力一致；5）撤出矯形力。其中矯形、螺栓連接和矯形力撤出過(guò)程壁板外形處于不同的狀態(tài)，通過(guò)3D-DIC測(cè)量系統(tǒng)對(duì)這3個(gè)過(guò)程的末態(tài)進(jìn)行圖像采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)以上操作模擬壁板的裝配過(guò)程。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 裝配過(guò)程的變形影響分析

首先，需要對(duì)3D-DIC系統(tǒng)對(duì)壁板變形的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，例如當(dāng)矯形力為150N時(shí)，壁板變形如圖8所示。由變形云圖可知：對(duì)施加矯形力過(guò)程，變形主要集中在壁板中間的A區(qū)域，且沿水平方向變形較為均勻；螺栓連接后，壁板與肋進(jìn)行連接的B區(qū)域變形變化不大，甚至在C區(qū)域有變形減小的趨勢(shì)；撤矯形力后，B區(qū)域輕微回彈，但C區(qū)域回彈明顯。因此，主要分析壁板裝配過(guò)程變形明顯的C區(qū)域，且變形主要沿壁板厚度方向，即z方向。綜上，在壁板C區(qū)域的兩個(gè)觀測(cè)區(qū)域沿y方向?qū)ΨQ(chēng)的位置取兩條觀測(cè)線Path-Y，并取沿厚度方向變形的平均值作為壁板變形的分析曲線。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示，隨著矯形力數(shù)值的增加，壁板變形量增大，撤矯形力后，導(dǎo)致壁板變形回彈量逐漸增大。當(dāng)矯形力小于等于75N時(shí)，壁板變形曲線的峰值由大到小依次為螺栓連接、撤矯形力和矯形狀態(tài)。在試驗(yàn)時(shí)，矯形后間隙小到一定程度時(shí)認(rèn)為間隙消除，不進(jìn)行墊片補(bǔ)償，即剩余間隙的墊片填補(bǔ)率并非完全，因此壁板仍有變形空間，螺栓連接后，變形沿厚度繼續(xù)增大；當(dāng)矯形力大于75N時(shí)，壁板變形曲線的峰值由大到小依次為矯形、螺栓連接過(guò)程和撤矯形力狀態(tài)。螺栓連接后，壁板有輕微回彈變形的趨勢(shì)，分析原因?yàn)椋簭?fù)材壁板與鋁合金肋緣條之間為螺栓連接，且兩者之間復(fù)材壁板的剛度較大，當(dāng)變形增大后，壁板中儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能增大；為抵抗變形使整體連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輕微回彈變形，撤矯形力后，壁板的變形也是整體連接結(jié)構(gòu)回彈的結(jié)果。裝配結(jié)構(gòu)變形回彈的原理示意圖如圖10所示，紅色虛線為壁板與肋緣條在撤矯形力后整體回彈的結(jié)果（本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)請(qǐng)咨詢(xún)作者）。

3.2 復(fù)材壁板變形峰值分析

對(duì)于飛機(jī)復(fù)合材料壁板的裝配，裝配外形偏差控制尤為重要，對(duì)構(gòu)件裝配過(guò)程的變形控制和預(yù)測(cè)直接影響到最終的外形精度，提取試驗(yàn)中觀測(cè)路徑Path-Y上的變形量峰值重復(fù)進(jìn)行定量分析。圖11所示為復(fù)合材料壁板裝配過(guò)程變形量峰值隨矯形力值的變化曲線，包括矯形、螺栓連接和矯形力撤出過(guò)程。

由圖11可知，矯形過(guò)程中，隨著矯形力值的增大，變形量峰值逐漸增大，矯形力較小時(shí)增長(zhǎng)幅度較大，當(dāng)達(dá)到100N時(shí)，壁板變形量峰值逐漸趨于穩(wěn)定，變形量在1.41mm左右。這可能是由于壁板變形較大的A區(qū)域最先與肋緣條貼合，隨著矯形力的增大該區(qū)域一直處于貼合狀態(tài)，則變形量峰值也相對(duì)穩(wěn)定；對(duì)于螺栓連接過(guò)程，當(dāng)矯形力達(dá)到75N時(shí)，螺栓擰緊后壁板的變形逐漸趨于穩(wěn)定，變形量在1.38mm左右，且在矯形力至100 N后，螺栓連接后復(fù)材壁板沿厚度方向的變形量反而減小，減小量為0.03mm左右，可能是由于復(fù)材壁板剛度較大，在螺栓預(yù)緊力的作用下導(dǎo)致鋁合金肋緣條發(fā)生微小變形，導(dǎo)致壁板有輕微的變形回彈；對(duì)于矯形力撤出過(guò)程，隨著矯形力值的增大，撤出矯形力后壁板的變形有輕微增大再減小的趨勢(shì)，且與螺栓連接的變形差值逐漸增大。

在復(fù)材壁板進(jìn)行螺栓連接后，撤矯形力才意味著壁板連接完成的最終形態(tài)，此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致壁板的變形回彈，圖12為Path-Y上回彈量峰值隨矯形力值的變化曲線。隨著矯形力值的增大，回彈量近似呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)矯形力達(dá)到150N時(shí)，壁板最大回彈量為0.117mm，回彈量占裝配間隙的7.83%，變形回彈量峰值相對(duì)較大，對(duì)復(fù)合材料壁板裝配的外形偏差可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3.3 撤矯形力后螺栓預(yù)緊力變化分析

復(fù)材壁板在進(jìn)行螺栓連接后，矯形力的撤出不但會(huì)引起壁板外形狀態(tài)發(fā)生改變，也會(huì)導(dǎo)致螺栓夾緊力發(fā)生變化。根據(jù)壁板外形和螺栓的對(duì)稱(chēng)分布，取壁板上對(duì)稱(chēng)分布的1/4螺栓作為分析螺栓夾緊力變化的研究對(duì)象。圖13所示為試驗(yàn)中所觀測(cè)的螺栓夾緊力變化的螺栓分布及編號(hào)，分別為#1、#2、#5、#6、#13、#14和#15，即代表壁板上所有螺栓的連接特點(diǎn)。

試驗(yàn)中所觀測(cè)的壁板區(qū)域內(nèi)螺栓夾緊力變化如圖14所示。通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，隨著施加的矯形力增大和墊片補(bǔ)償厚度減小，矯形力撤出后，各區(qū)域的螺栓夾緊力都有增加的趨勢(shì)。其中，#1、#2、#5和#6增加幅度較大，該區(qū)域的螺栓與肋緣條進(jìn)行連接，也是均勻間隙所設(shè)置的區(qū)域，由上文可知，隨著矯形力增大，矯形力撤出后壁板的回彈變形峰值增大，導(dǎo)致螺栓端部與被連接件之間擠壓程度增加，即導(dǎo)致螺栓夾緊力增大；#13、#14和#15主要與梁進(jìn)行連接，試驗(yàn)中梁與壁板之間不設(shè)置間隙，因此隨著矯形力增大與墊片補(bǔ)償尺寸減小，壁板在該區(qū)域并沒(méi)有發(fā)生一定程度的變形，因此該區(qū)域的螺栓夾緊力增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小甚至不發(fā)生變化。

本文中螺栓初始夾緊力為5kN，當(dāng)矯形力達(dá)到150N時(shí)，#6螺栓的夾緊力變化最大為50N，即增長(zhǎng)率為1%，相對(duì)較小。但實(shí)際工程中的螺栓連接，施加的夾緊力可能遠(yuǎn)不止5kN，裝配中的輕微變形可能導(dǎo)致夾緊力發(fā)生較大的變化，對(duì)后續(xù)裝配結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在本文中5×3矯形力布局作用下，隨著矯形力增加，壁板變形量增大，當(dāng)矯形力達(dá)到100N時(shí)，變形量趨于穩(wěn)定；施加螺栓夾緊力后，因復(fù)合材料壁板剛度較大導(dǎo)致鋁合金肋緣條的變形，進(jìn)而影響復(fù)材壁板的變形結(jié)果。

2）撤矯形力后復(fù)材壁板的回彈隨矯形力大小近似呈線性關(guān)系，且是骨架與復(fù)合材料壁板所連接裝配體變形的結(jié)果。當(dāng)矯形力達(dá)到150N時(shí)，壁板最大回彈量為0.117mm，回彈量占裝配間隙的7.83%?；貜椓肯鄬?duì)較大，對(duì)復(fù)合材料壁板裝配的外形偏差可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3）隨著矯形力增大和墊片補(bǔ)償?shù)暮穸葴p小，矯形力撤出后，各區(qū)域螺栓夾緊力都有增加趨勢(shì)。其中，壁板與骨架不存在間隙的區(qū)域螺栓夾緊力有輕微增長(zhǎng)趨勢(shì)，甚至不發(fā)生變化；存在間隙的區(qū)域，螺栓夾緊力增長(zhǎng)相對(duì)明顯，當(dāng)矯形力為150N時(shí)，夾緊力變化最大為50N，增長(zhǎng)率約為1%，增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。

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收稿日期：20230206