液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响

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1、液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响岳烜德安鲁陵云一珅高国强南京航空航天大学江苏省精密与微细制造重点实验皇上海飞机制造有限公司复合材料较为复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时，偏差会使配合面间产生装配间隙，当间隙超过一定的大小时，需要釆取补偿措施，即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型，通过实验和有限元分析方法，研究了液体垫片对复合材料装配结构应变应力的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表而的应变，分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时，通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度，研宄液体贽片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论:强

2、迫装配时，处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重，该区域发生较大的弯曲变形，构件中间部分因为局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小;液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时，也使构件中间贴合部位的螺栓尖挤压区和部分非挤压区的应变增大，但总体而言，液体贽片的引入使应变分布趋于均匀；当装配间隙大于0.7mm后，液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用呈明显的下降趋势。关键词：飞机装配;复合材料;填隙补偿;液体垫片;安全裕度;相比于传统金属材料，复合材料拥有很多优势，例如高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好和性能可设计等Ill。复合材料在飞机中的应用范围正在从次

3、承力结构(如舱门、整流罩、垂直尾翼、水平尾翼、方向驼等)向主承力结构(如机翼，机身等)扩展。例如A380的中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段和后承压框等均采用了复合材料m。除上述特点和优势外，复合材料的另一个优势即大面积整体成型技术。整体成型技术能够人幅度减少零件数量进而降低结构的装配成本，也在一定程度上降低丫结构重量、提高了结构安全性，并且为某些特殊的飞机结构的制造提供了解决方案，如翼身融合式布局［3］。然而飞机结构整体性的提高意味着结构的精度更加依赖复合材料零件的制造精度，而零件的制造精度恰恰是复合材料的劣势。受成型工艺方法复杂性的限制，其制造几何精度不易控制，厚度、平

4、面度、角度等尺寸和形位偏差较大，尤其对于面积大、尺寸大、形状复杂的航空零件来说，这种劣势更为明显。较低的零件制造精度最终会使相互贴合的构件间产生装配间隙或干涉问题，本文关注的是装配间隙。当装配间隙较大吋，如果通过紧同件的预紧力消除间隙即进行强迫装配，会导致结构内部出现较大的装配应力。由于复合材料的脆性，这些不可控的装配应力会引起复合材料结构内部裂纹扩展、分层等损伤而降低结构的力学性能［4］，［5］,因此需要对装配间隙进行填隙补偿处理。飞机复合材料构件装配屮的填隙补偿问题引起Y许多研宄人员和工程师的关注包1。KANDYU1指出连接面包含阶梯或不平坦的间隙时，通常用液体势片补偿。但一直以来，液

5、体垫片的使用一直限制在0.762mm(0.03in)以下，如果是在油箱附近，液体垫片的限制更加严格，甚至禁止使用。超过0.762mm(0.03in)的间隙，使用液体垫片和可剥垫片同时进行补偿。CAMPBELLM中指出：为防止复合材料构件出现裂纹和脱层，大于0.127mm(0.005in)的间隙都应加垫片，间隙处于0.0762-0.762mm(0.003-0.03in)时，加液体垫片，若间隙超过0.762mm(0.03in),则需要在工程许可的前提下加固体垫片。然而这些片段在文献中仅作为结论出现，并没有介绍其理论依据。0前填隙补偿的相关研宄集中于填隙补偿参数对竿搭连接接头的力学性能的影响，连

6、接的类型包括复合材料与复合材料连接、复合材料与金属连接。用于表征接尖性能的参数包括接尖的拉伸刚度、极限强度、疲劳寿命、连接区域应力应变分布和接头的次弯曲效应等。主要研究的填隙补偿方法是液体垫片填隙补偿，结论表明垫片的引入造成复合材料连接结构力学性能的降低，表现为连接刚度、最大载荷等指标的下降，这种影响随着垫片厚度的增加而增大DHfiTE等以1使用三维数字图像相关技术(3DDigitalImageCorrelation,3DDIC)研究Y液体垫片对于复合材料单搭接头的影响。结果表明：液体垫片的引入放大了单搭接头的横向变形，改变了接头的应变分布，进而导致复合材料层合板中较高水平拉伸应变的产生。

7、LIUUU研宄了液体垫片厚度和基板刚度对于复合材料一钛合金螺栓接头力学性能的影响，指出螺栓接头的最大载荷、初始刚度、设计载荷随着液体垫片层厚度的增加而折减。液体垫片层的影响程度会随着基板刚度的增大而降低。COMERXM等研宄了复合材料一铝合金混合接头中液体垫片的热疲劳性能，结果表明：液体垫片的刚度没有明显的退化，承载面上没有明显的损伤。液体垫片的出现导致连接结构刚度的减缩，减缩程度与液体垫片的厚度成正比。张桂书1121以