飛機復合材料結構裝配間隙補償研究

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引言

目前，隨著復合材料、鈦合金材料等新型材料在飛機研發過程中的廣泛應用，復合材料以其各項優異的性能在飛機制造業已經得到普遍的應用。然而，由于復合材料本身制造精度的不足等一系列的問題，使得復合材料裝配過程中可能會存在間隙，而且當間隙較大的時候繼續裝配，就有可能損壞復合材料結構，所以在實際的裝配工作過程中，需要通過一定的間隙補償方法來消除結構之間的間隙。

1 復合材料概述

復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料，復合材料的基體材料分為金屬和非金屬材料兩大類，非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維等等。現代高科技的發展離不開復合材料，復合材料對現代科學技術的發展，有著十分重要的作用。復合材料的研究深度和應用廣度及其生產發展的速度和規模，已成為衡量一個國家科技水平的重要標志。目前，隨著復合材料的發展，飛機制造領域當中其已被廣泛的應用，在空客公司設計制造的A330和A340飛機中，復合材料的用量達到飛機總重量的12%左右，A320飛機中復合材料用量則增加到15%，A380飛機中復合材料用量達到27%左右，A350復合材料用量提高到52%；波音公司的787飛機復合材料用量達到50%[1]。由于復合材料所構成的材料在的固化收縮、模具熱膨脹系數不同等多因素影響下，導致復合材料構件的成形精度低于金屬構件，零件尺寸誤差和外形誤差較大，在實際的裝配過程當中，會導致裝配結構貼合面之間可能存在一定的間隙產生。由于結構間隙的存在，復合材料零組件的裝配與金屬結構的零組件裝配有很大的區別，當間隙較小的情況下，可以通過直接采用強迫裝配的途徑來消除間隙。但是，如果產生的間隙過大話，在強迫裝配的過程當中就很有可能會在復合材料構件中產生較大的裝配應力，這樣一來就會損壞復合材料零組件。而且除此之外，如果在間隙過大的情況下進行強迫裝配，在所有緊固件連接完成后，也很有可能會使復合材料構件產生較嚴重的不可逆的裝配變形問題，因此在復合材料零組件裝配過程中，必須采用必要用墊片來進行間隙補償，填充存在的間隙，以減弱裝配應力等對復合材料構件帶來的不利影響。

2 復合材料裝配間隙補償

2.1 間隙測量

根據復合材料的零件加工和成型過程，可以了解到復合材料的變形是避免不了的，那么在后續的裝配過程中，在進行間隙補償工作進行之前，需要對結構件的裝配前進行間隙的測量，只有對間隙的測量才能了解復合材料裝配時還存在多大的間隙，為后續加墊提供理論依據。當前情況下，在通常的飛機裝配過程當中，經常會選擇用測量塞尺工具來進行測量已經存在的間隙，而這種方法有一定的缺陷，比如其特點之一是嚴重依賴與操作者的技術水平，另外還有就是塞尺在測量小間隙的情況下，塞尺較薄，通常不能完成的測量整個結構貼合面全部，需要反復多次測量，而這就會導致其實際的測量精度和效率都是比較底下的。

隨著當前數字化技術的不斷發展，飛機裝配數字化的程度的不斷提高，越來越能體現出那些傳統的測量方法的劣勢，比如精度不高，無法實現隨時隨地記錄數據和存數數據。為了能夠在一定程度上改變這種狀況，激光測量和照相測量等數字化的測量方法和手段，也已經在飛機裝配過程中大量應用，為了能夠提高裝配過當中的工作效率，在復合材料結構零件定位過程中就可以采用激光跟蹤儀或照相測量來進行零件的外形測量，根據測量的大量的三維數據利用專用SA軟件與理論外形比較，就可以提前知道復合材料零組件的外形變化，從而可以知道是干涉還是存在間隙，為下一步加墊做好測量數據積累。目前，已經在激光跟蹤儀單個測量點的基礎上發展出專用的間隙掃描設備，通過與設備連接的手持終端可以產品對結構進行激光掃描，然后通過與理論的數值進行對比，包括外形、階差和間隙數據，都可以計算出來，可以顯示測量區域的每個點的偏差狀況，這種測量方式可以大大的緩解和解決傳統測量過程中測量不全面和人為誤差的影響，這種測量手段和方式也是飛機裝配過程下一步發展的數字化測量方向。

2.2 間隙補償工藝

通常復合材料機翼盒段的設計補償不大于0.5mm，要求10m以上的上、下整體壁板與數十個肋站位平面、梁平面裝配時插裝達到協調一致。從表面上看，協調部位由曲面變為平面似乎簡單化了，但是復合材料制件在裝配過程中具有不允許打磨、銼修、帶應力裝配等特點，大大提高了裝配協調的難度[2]。間隙補償技術，就是用各種不同形式的墊片補償產生的間隙，使零組件貼合面的表面通過墊片實現產品之間的貼合的目的，從而達到保證一定的連接強度的目的。目前通常使用的墊片材料加墊方式有固體墊片和液體墊片兩種方式，固體墊片材料一般為鋁合金材料、復合材料，還有鋁合金和復合材料相結合的材料，可根據測量的間隙直接使用；普通液體墊片類似于密封劑的使用方式，可由工作人員手工的涂在構件上，待液體固化后達到間隙補償目的。另外從墊片的加工方面，通常為整體墊片和可剝墊片兩種，整體墊片材料常用的是鋁合金材料墊片，在金屬結構間隙尺寸較大時常用，可剝離墊片是逐層用膠粘連接，可以根據不同間隙的大小可剝離出合適的墊片進行加墊補償，這種墊片在使用時非常的便利，減少了現場操作時打磨的煩瑣工序，可以根據實際的測量間隙，選擇使用不同厚度的可剝墊片使用。

在實際的裝配過程中，根據裝配結構的材料選取不同的材料的墊片和加墊方式，主要還是考慮到飛機裝配過程中的異電位腐蝕問題，由于不同材料的零件裝配在一起必然存在電位腐蝕問題，所以加墊時需要考慮的。例如結構裝配件是鋁合金結構，就可以選取相應厚度的鋁合金墊片或者可剝墊片來避免異電位腐蝕問題。而對于鈦合金固體墊片來說，由于其具有良好的耐腐蝕性能，在防腐領域得到了廣泛的應用，但是存在的問題是鈦合金墊片的成本相對來說比較高，制造的難度比較大。復合材料裝配時就必須選取可剝復合材料墊片，就是比較合適的，可以根據測量的間隙值，剝離相同厚度的墊片，再根據零件大小，裁剪出與零件外形一致的墊片材料。

液體墊片是一種新型的加墊方式，主要是由樹脂材料和固化劑等材料構成的，作為加墊材料使用時可以很好地保證在間隙不連續的情況下使用，但也有一定的缺陷，由于與密封劑類似，因此測量的間隙值不能太大，否則液體墊片沒有很好的強度剛性。在結構間隙小的情況下，液體墊片的使用也有非常好的優勢，使用時由于要保證與零組件之間的貼合，對基體材料需要先進行打磨，然后采用溶劑清洗待加墊表面，確保待刷涂表面干凈，同時在待使用液體墊片部位的邊緣、內表面和要脫模的表面刷涂脫模劑，防止液體墊片固化后粘接無法分離。施工后待液體墊片固化時還需保持一定的夾緊力，確保產品之間的間隙被消除，待固化后就可以繼續后續正常裝配。

3 間隙補償對復合材料構件裝配的作用

3.1 對復合材料構件裝配性能的影響

飛機復合材料部件大多是采用螺栓或者單面連接緊固件進行連接，這樣一來，就可以在一定程度上減少或消除間隙的影響，使產品結構的結合面上、下表面能夠在螺栓拉力的作用下配合得很好。但是如果當間隙過大的時候強迫裝配，制孔就會使得產品上下表面的結構孔存在偏差，連接后會導致孔與螺栓之間不同心，使得結構產生一定的應力，往往不能符合一定的精度要求，嚴重時可導致復合材料結構分層，這對飛機的產品結構是致命的損傷，所以就需要進行間隙補償工作。在螺栓擰緊的過程整個過程當中，不同的間隙補償參數設置會改變復合材料構件表面的應力和應變，從而就會直接的影響構件內部存在的裝配應力。

同時，復合材料本身孔與螺栓之間的配合就是間隙配合，在強制轉配過程中，產品結構與結構之間會產生竄動，間隙的生產會增加結構之間的相對約束，最終會導致產品嚴重的彎曲變形，使得最終的裝配結果與理論設計的偏差較大，而且無法控制。

3.2 對復合材料結構使用性能的影響

復合材料的高剛度導致很難將其強制壓到合適的位置，目前對于匹配不好的構件通常采用加墊補償的方法來實現適當的配合。復合材料構件的制造偏差使復合材料構件在形狀協調時引入裝配應力，這些應力會影響復合材料結構的疲勞性能。飛機復合材料結構包含了許多疲勞細節，如開孔、變厚度、變截面等幾何形狀不連續部位。在疲勞載荷作用下這些細節部位由于存在應力集中，成為疲勞裂紋萌生擴展的策源地，從而降低了結構的疲勞強度。復合材料疲勞損傷的微觀結構機理（如纖維斷裂、基體開裂、脫黏、橫向層開裂和分層等）有時獨立發生，有時以相互作用的方式發生，將影響復合材料構件的主要優勢[3]。

因此，在飛機結構裝配過程中，如何控制復合材料零件外形、如何減少飛機裝配應力、如何減少結構受力對飛機疲勞的影響等等因素是一直在研究和解決的方面，單從減少裝配應力方面，更加精確的測量和不同的加墊方式，對復合材料裝配會產生非常大的影響。

4 結束語

綜上所述，復合材料受自身性能和成型工藝的限制，與金屬構件相比，復合構件的制造幾何精度不易控制。厚度、輪廓度和R角的尺寸和形狀偏差相對偏難。此外，復合材料剛性高，基體脆化，容易分層等特點，在后續的裝配過程中，應減少強迫裝配，多考慮一些補償方法，能有效減少飛機結構變形和裝配應力的產生，提升飛機部件的疲勞壽命和安全系數。