浅析飞机结构装配间隙

浅析飞机结构装配间隙

徐伟峰

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西西安710089）

摘要：飞机结构装配过程中，组部件各类误差(制造误差、装配变形、协调误差等)互相叠加和传递，导致结构间贴合面之间通常存在装配间隙，本文简要介绍了间隙产生的主要原因，同时结合结构间隙测量方法研究飞机装配过程中的间隙补偿问题，从而掌握间隙补偿对装配件应力的影响。

关键词：装配间隙;装配应力;间隙补偿；

1 引言

飞机结构完整性指在要求的结构安全性、结构能力、耐久性和可保障性水平下，结构可正常使用以及功能未受削弱时所处的状态，其内容包含影响飞机安全使用和成本费用的机体强度、刚度、耐久性、损伤容限和功能等。随着飞机使用环境日益复杂，结构设计方法不断发展，结构的复杂程度也随之增加，结构强度设计者在为降低飞机结构质量的同时，也越发重视飞机结构的完整性、可靠性。结构完整性控制贯穿于整个飞机设计、制造、装配，以及使用过程。

飞机装配本质上是按照设计和技术要求，将大量飞机零件通过连接件进行组合、连接，逐步装配为组合件、部件，以及整机的过程。飞机零件数量巨大、构型多样，装配关系复杂，由于零件加工过程尺寸公差、装配过程中形位协调误差、零件加工过程中残余应力的释放等，在飞机装配过程中组部件各类误差(制造误差、装配变形、协调误差等)互相叠加和传递，导致结构间贴合面之间无法紧密贴合，存在装配间隙，影响飞机制造质量。而复合材料因为优异的力学性能，在飞机制造中得到广泛应用，但受制造精度的影响，复合材料构件成型的精度比金属材料构件较低，尺寸误差和形状误差较大，在进行装配时接合面之间会更容易产生间隙。在飞机制造过程中，需严格控制装配间隙，避免装配间隙影响结构完整性。

2装配间隙产生原因

在实际装配中，由于飞机结构的复杂性，装配间隙往往是由多种原因共同造成的，比如零件制造误差、部件装配积累误差、装配定位基准不统一、装配工艺路线不合理、检验工具工装存在问题、外扩零件制造技术协议不完善等。由于飞机零件多，只有严格先行控制零件的制造精度，才能有效降低后续累积误差的产生。装配积累误差是造成结构间隙的主要原因之一，配合零件间，配合公差不仅影响配合部件的质量，而且涉及制造成本。装配积累误差通常是零件制造误差、零件应力释放、装配协调误差、装配过程应力的集中体现，往往表现于贴合面之间，目前主要采用用垫片来填充存在的间隙进行间隙补偿。

3结构间隙测量方法

间隙测量工作是一个费时费力的过程，目前国内飞机装配过程中还是多用机械式塞尺测量间隙，这种方法高度依赖于操作人员的技能水平，且准确度和效率较低。随着飞机装配标准化的改进以及复合材料构件的广泛应用，Lenya航空公司和Lockheed公司发现越来越多的间隙和孔洞需要在飞机装配中测量。传统的测量方法不够精确，无法随时记录和存储数据。因此，研制了一种新型电容测隙仪(Gapman)。Gapman有一台带显示屏幕的便携式主机。主机前端与扁平杆相连，两个电容位移传感器重新安装在扁平杆的末端。物理原理是，电容与传感器和目标接口之间的距离成正比，距离测量是基于电容的变化。Gapman测量设备可以使操作员的工作技术不再对测量结果产生很大影响，还可以测量金属和碳复合材料表面之间的间隙。它操作简单，提供视觉显示，并能以0.5%的精度记录10000多个数据集。目前，Gapman测量设备用于飞机装配间隙测量、发动机内部间隙测量、辊隙测量等领域。机械塞尺和电容间隙测量仪也很耗时，测量数据量大，可能会降低装配效率。为了改变这种情况，一些学者提出一种预测间隙的方法，这些方法可以在某种程度上替代目前的测量工作。例如，基于机器学习和稀疏性检测策略的间隙预测方法有:首先，根据历史生产数据研究间隙分布规律，采用强有力的主成分分析(RPCA)算法进行缩减数据，区分数据中的异常值，并将数据矩阵x分解为低秩模式有助于后续稀疏采样，因此可以获得低维、稳健的间隙数据分布。然后，结合稀疏传感器优化算法(旋转QR分解)，检测出最能表征剩余位置间隙的测量位置，剩余n个缺口预测为在最佳位置测量的小缺口值。优化后的测量信息具有极好的交叉验证特性，可以帮助未来飞机装配中的局部或定向激光扫描。美国波音利用这项技术成功预测了3%激光扫描点信息中99%的垫片使用率。这些数据是垫片预测技术优越性的有力证明。激光扫描点数的减少直接缩短了测量时间，提高了装配效率。目前，间隙预测效果可以大体满足飞机装配需求，缩短单位测量时间，提高装配效率。但是，间隙预测方法包括算法设计，并基于大量的生产前期数据和测量数据，大量开发这项技术需要时间和技术人员的支撑。随着中国航空制造业的发展，生产数据将日益完善，为了提高装配效率，间隙预测技术可以成为未来航空复合材料零件装配间隙测量的趋势。

4结构间隙工艺补偿

目前，间隙补偿工艺通常是利用各种形态的垫片填充间隙，从而保证连接强度。采用的垫片类型有固体垫片、液体垫片和可剥垫片。固体垫片的材料一般是钛合金和铝合金，根据间隙的大小现场切割出合适的垫片形状进行填补；常用的液体垫片有环氧树脂胶型和聚酯化合胶型，工作人员手动将其涂抹在构件上，经一段时间固化后可以进行连接操作；可剥垫片的材质有钛合金、铝合金、玻璃纤维和碳纤维等，是一种层压型垫片，层与层之间用胶粘剂连接，可以根据大小不同的间隙剥离出合适厚度的垫片进行填补。

在实际的装配过程中，由于不同材料的零件装配在一起必然存在电位腐蚀问题，因此垫片材料和加垫方式的选取还要考虑到飞机装配过程中的异电位腐蚀问题。例如结构装配件是铝合金结构，就可以选取相应厚度的铝合金垫片或者可剥垫片来避免异电位腐蚀问题。而对于钛合金固体垫片来说，由于其具有良好的耐腐蚀性能，在防腐领域得到了广泛的应用，但是存在的问题是钛合金垫片的成本相对来说比较高，制造的难度比较大。复合材料装配时就必须选取可剥复合材料垫片，就是比较合适的，可以根据测量的间隙值，剥离相同厚度的垫片，再根据零件大小，裁剪出与零件外形一致的垫片材料。

5.间隙影响试验验证

为研究装配间隙对于强度特性的影响，设计简易铝合金装配件试验，通过预置间隙模拟装配间隙，通过力矩扳手按照既定步长拧紧螺栓，随着螺栓拧紧力矩的施加，缘条自由边间隙减小，缘条主要承受弯曲载荷，螺栓孔附近上表面缘条首先呈现拉应力(背面为压应力)。随着拧紧力矩的继续增加，缘条自由边间隙消除，拉应力继续增加。进一步增加螺栓拧紧力矩，由于自由边反力的作用，缘条上表面拉应力转变为压应力(背面为拉应力)，应力随着拧紧力矩增加而增加，Ｒ角处应力随拧紧力矩单调增加。为研究应力腐蚀开裂问题，进行了应力腐蚀加速环境谱试验。为对比证明间隙对于腐蚀开裂的影响，腐蚀试验包括0.3mm和0.5mm两种间隙。腐蚀试验采用地面停放环境加速试验环境谱，每周期为30min，浸泡7.5min，在溶液外时间22.5min，溶液外采用远红外灯照射试件，保证试件表面烘干。验表明，装配间隙越大，越容易出现裂纹。因此为提高结构完整性，必须控制装配间隙，尽可能控制装配件应力的产生。

参考文献

［1］窦亚东．飞机装配间隙协调及数字化加垫补偿技术研究［D］．杭州:浙江大学，2015．

［2］张桂书．飞机复合材料构件装配间隙补偿研究［D］．南京:南京航空航天大学，2015．

［3］董一巍，李晓琳，赵奇．大型飞机研制中的若干数字化智能装配技术［J］．航空制造技术，2016(1):58－63．

［4］王花娟,杨杰,刘新东,等.装配间隙对GF/E螺栓连接强度的影响[J].宇航材料工艺,2008(1):81-83.

［5］刘楚辉.飞机机身数字化对接装配中的翼身交点加工关键技术研究[D].杭州:浙江大学,2011:5-6.