非结构垫片修理对结构强度影响研究

朱杰

摘 要：该文针对民用飞机制造过程中常见的装配间隙问题，研究了采用非结构垫片补偿间隙后结构的强度分析方法。首先总结了工程上非结构垫片的一般使用要求包括垫片数目，最大允许间隙和材料等要求。其次对加垫后的结构进行受力分析，主要考虑铆钉所受剪力和由增加垫片导致的偏心距增加所引起的弯矩作用，给出了两种静强度和疲劳强度评估方法。最后通过某超差实例，应用提出的方法对该实际问题进行了强度评估，结果表明该方法考虑因素全面且简单清晰，可用于对飞机制造过程中的非结构垫片修理进行评估。

关键词：非结构垫片 装配间隙

中图分类号：TH131 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0035-03

飞机装配是整个制造过程中的关键环节，也是容易出偏差的环节。在飞机投入生产相当长的时间后，仍可能由于公差积累而产生装配偏差。出于制造成本考虑，设计时不可能把尺寸公差要求过高。对于装配间隙，生产现场一般先通过指压法判定，如果采用指压法能够消除间隙，则工程可接受，否则，需要加垫以补偿装配间隙。垫片分非结构垫片和结构垫片，前者不参与传力而后者参与传力，一般在保证原结构刚度的前提下，采用非结构垫片处理。

依据目前的技术资料[1]及工程经验，对非结构垫片的使用要求有：

（1）一处间隙只允许安装一个垫片；

（2）允许加垫的最大间隙为0.2 inch；

（3）安装后最大允许间隙0.005 inch；

（4）斜削垫片最小厚度（0.015±0.005）inch；

（5）非结构垫片材料与原结构材料相近。

此外还需要考虑密封要求，填充要求以及制造加工标准和不同金属间的保护等要求。为了保证飞机安全，有时还需要对加垫后的结构强度进行分析，该文主要针对加垫后强度问题作了研究。

1 非结构垫片强度评估研究

增加非结构垫片后，结构偏心距增大，其增加量即为垫片厚度。对加垫后紧固件进行受力分析如图1。一般地，紧固件抗附加弯矩的能力越强，允许加的垫片厚度越大。下面从静强度和疲劳强度两方面进行评估。

1.1 加垫后的静强度影响评估

一般的方法是通过计算紧固件钉杆的弯剪复合裕度来评估[1]是否安全，具体如下：

（为螺栓许用弯矩），可得许用剪切载荷。若大于螺栓单剪许用值时，则取。若，则；如果，则，取上述最小值作为加垫后许用剪切载荷，若大于工作载荷则静强度可接受。该方法思路是通过螺栓许用弯矩及紧固件尺寸和材料参数和垫片厚度求出相关的许用剪切载荷。

1.2 加垫后的疲劳强度评估

根据工程经验，目前对于非结构垫片处置后的疲劳强度评估有两种方法：

（1）紧固件孔边为疲劳危险位置，加垫后引起的附加弯曲应力会增加紧固件孔边的挤压应力，进而降低疲劳寿命。因此，可以计算出附加弯曲应力并叠加到原挤压应力上，计算得到新的紧固件载荷传递系数，以此考虑非结构垫片的影响。

（2）对于结构本体的疲劳强度，可用加垫后的超差后材料叠层厚度系数D，来考虑附加弯矩对结构DFR值的影响。叠层厚度系数D主要表征低载荷传递结构中孔填充的弱化及二次载荷传递对疲劳性能的影响。对于孔填充系数A小于1.15的铆接结构，叠层厚度为紧固件所连结构的总夹层厚度；对于螺栓连接盒孔填充系数大于等于1.15的结构铆接结构，叠层包括所有连续结构元件，但不包括局部接头以及垫片、垫圈、和曲面垫块等非结构元件。

2 非结构垫片强度分析实例

某型飞机一加强框框缘与框缘连接件连接根部存在间隙，间隙区域剖视图见图3。工程处理意见为制作最大厚度为0.8 mm的特制垫片安装于间隙处，下面对该处置方案进行强度评估。

查阅图纸得超差部位紧固件为2排共6颗HST10AG6-6，立边连接处为五颗HST12AP-8-8高锁螺栓。

通过全机有限元模型及内力解获得该连接在最严重工况下所传递的轴力P为61 330 N。轴力通过11颗材料相同的紧固件传递，载荷按面积分配可得底边单颗紧固件载荷F=61 330×4.762/（6×4.762+5×6.352）=4 116 N，按3.1节方法计算得附加弯曲应力=155.47 MPa，取957.7 MPa，[F]取11 965 N，可得弯剪联合裕度=1.62>0，静强度可接受。

超差前该部位的DFR为77.478 MPa，疲劳裕度为0.16，加垫后可能对夹层系数D有影响。该细节孔填充系数A≥1.15，叠层厚度6.34 mm，紧固件直径4.76 mm，厚度/直径=1.33<2 mm，查资料得叠层厚度系数仍为1，加垫对DFR 大小无影响，疲劳裕度无减小，疲劳强度可接受。

3 结语

该文针对飞机装配间隙超差问题，总结了用非结构垫片进行处置的一般要求，并给出一般情况下不同紧固件所允许非结构垫片最大厚度。考虑到加垫引起的附加弯矩对结构的不利影响，对静强度和疲劳强度两方面的强度评估方法进行了研究，并将分析方法运用于一实际超差问题，完成了对该超差的评估。

参考文献

[1] 中国航空工业总公司第六四〇研究所.麦道飞机联络工程手册，[M].北京：航空工业出版社，1997.

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