飞机装配协调方法研究.pdfVIP

机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 图 1 APU 门 鹅颈铰链支座 6 处 鹅颈铰链 6 处 左侧门板 右侧门板 0引言 飞机结构复杂 零组件数量庞大 零件制造 零组件 装配定位等工艺过程必然会存在一些偏差 飞机结构又 要满足气动 强度等要求 因此 虽然现代飞机采用面向 制造及装配的设计 数字化的装配协调技术 先进的尺寸 管理与容差分析技术 1 等使装配质量与装配效率大幅提 高 但是无论采用何种装配工艺流程 无论采用何种基准 体系与公差分配方案 都难免会在一些零件贴合面处出 现间隙或干涉 需要设计部门预先确定允许的装配协调 方法与要求 2 4 零件贴合面处可能会出现间隙或干涉时 设计部门的飞机装配协调方法主要有加垫片 金属件加 余量 复材件加牺牲层 带应力连接 根据测量数据生产 零件等 关于如何在这些装配协调方法中做出选择 不同 情况下结果不同 本文结合实例分析 研究了上述装配协 调方法的特点 探讨了它们的适用范围及选用原则 1常用飞机装配协调方法 1 1加垫片 加垫片是指用垫片填充零件贴合面间的间隙 飞机上 的垫片分为结构垫片与非结构垫片 5 结构垫片参与结构受 力 一般有自己的独立零件编号 用于间隙较大的部位 非结 构垫片不传载 没有独立零件编号 根据实际装配情况按需 使用 本文除非特殊说明 垫片指的是非结构垫片 飞机结构一般在下列两种情况下使用垫片 1 设计 间隙为零的部位 由于制造及装配误差出现间隙时 为了 避免强迫装配产生装配应力 按需加垫片 这种情况最常 见 例如 下单翼飞机翼根根肋连接处 根肋通常设计成 与外翼与中央翼上壁板连接件 下壁板连接件 前梁连接 件 后梁连接件同时贴合 实际装配时 很可能根肋与四 个连接件中的一个或多个不贴合 这时候一般按需使用 垫片 6 2 为了避免在装配过程中产生干涉 有时在一些 零件之间预先给出一定的设计间隙 实际装配时的间隙 有可能比设计间隙大 也有可能比设计间隙小 需要按需 使用垫片 如图 1 所示的对开 APU 门 它靠鹅颈铰链与 周边结构相连 门板为复合材料夹芯结构 为了装配时既 保证 APU 门门板的气动外形 又保证门板不与鹅颈铰链 干涉 一般要在设计时给出设计间隙 装配时按需在鹅颈 铰链底座与门板之间加垫片 1 2带应力连接 当间隙小到一定程度 强迫装配不会影响结构的性 能指标与目标寿命 可以直接带应力连接 例如 某飞机 中央翼盒安装根肋时要求在间隙小于 0 008 in 0 2 mm 时 可以带应力连接 设计文件无特殊要求时 一般对于 飞机装配协调方法研究 牛福春 何续斌 杜芳静 中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心 沈阳110079 摘要 为了保证飞机装配质量 需要制定合理的基准体系 公差分配方案与装配工艺流程 但无论采用何种基准体系与公 差分配方案 无论采用何种装配工艺流程 都难免会在一些零件贴合面处出现间隙或干涉 文中结合工程实例总结 研究了 可能会出现间隙或干涉时的装配协调方法 包括加垫片 金属件加余量 复材件加牺牲层 带应力连接 根据测量数据生产 零件等 分析了它们的特点与适用性 关键词 飞机 装配协调 垫片 余量 牺牲层 中图分类号 V 22文献标志码 A文章编号 1002 2333 2017 07 0133 04 Research on Aircraft Assembly Coordination Method NIU Fuchun HE Xubin DU Fangjing The Research assembly coordination shim additional material sacrificial ply 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 133 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 7 年第 7 期网址 电邮 hrbengineer 图 4 蒙皮牺牲层位置示意图 机加位置 本体铺层 机加位置 牺牲层 图 3 梁缘条牺牲层位置示意图 用手指施加一定的压力可以消除的间隙 可以直接连接 1 3金属件加余量与复材件加牺牲层 金属件加余量与复材件加牺牲层类似 都是在设计 尺寸的基础上额外增加材料 实际生产中通过根据实际 情况部分或全部保留 去除这部分材料来促进装配协调 复材件加牺牲层是指增加工艺铺层 复合材料层压板边 缘处轮廓尺寸加大等同于金属件加余量 不属于复材件 加牺牲层的范畴 对于图 1 所示 APU 门 可以不使用垫 片 改为增加鹅颈铰链底座的厚度也就是在鹅颈铰链底 座上加余量 装配过程中如果出现干涉 通过锉修鹅颈铰 链底座来保证装配协调 复合材料机翼的上 下壁板及前 后梁一般为复合材 料层压板结构 这种结构主要优势是减重 但其厚度公差 与名义厚度成正比 当名义厚度较大时 其厚度公差远大 于金属件的厚度公差 因而装配不协调问题更加突出 7 在图 2 所示的机翼剖面中 前 后梁采用阳模制造 厚度 公差向外累积 装配时 在垂直翼面方向上 壁板在翼根 处按气动表面一侧定位 梁按腹板上的基准孔定位 梁缘 条与蒙皮的厚度公差都向二者的贴合面处累积 由于二 者的厚度公差较大 在该处极易出现严重的装配不协调 此时 可以缩小梁截面高度 在蒙皮与梁缘条本体铺层之 间给出一定的设计间隙 并在蒙皮或梁缘条上增加牺牲 层 设计间隙可以保证蒙皮与梁缘条的本体铺层不会产 生干涉 二者之间存在间隙时 牺牲层起到填充的作用 在梁缘条上加牺牲层时 牺牲层位置如图 3 所示 图 示机加位置仅为示意位置 梁与牺牲层固化在一起以后 按梁缘条的实际厚度公差与回弹等情况对牺牲层进行机 加 保证梁的截面高度尺寸精度与该梁的机加公差相当 在蒙皮上加牺牲层时 牺牲层位置如图 4 所示 图示 机加位置仅为示意位置 蒙皮与牺牲层固化在一起以后 按蒙皮的实际厚度偏差情况对牺牲层进行机加 保证在 与梁缘条配合的区域蒙皮的厚度公差与该复材蒙皮的机 加公差相当 1 4根据测量数据生产零件 零件根据实际测量数据生产 是指当装配过程进展 到一定阶段时 对零件配合面之间的相对位置进行实际 测量 然后根据测量数据进行零件建模及制造 图 5 所示某飞机外翼后梁翼根处 两金属接头与周 围结构的配合关系复杂 贴合面数量超过 3 个 固化后的 复材梁存在回弹现象 因此 安装接头时 配合面处很容 易出现不贴合的情况 如果采用在接头上加余量的方式 保证装配协调 一方面 该处很难通过容差分析计算准确 确定需要加多少余量 且不易确定最佳余量添加部位 另 一方面 如果有工艺余量 需要多次反复锉修 修锉难度 大 效率低 精度也不高 如果采用加垫片的方式来保证 装配协调 一方面 加垫片会降低结构的强度性能 该处 为高传载区 从传力的角度考虑 高传载区最好不加垫 片 另一方面 垫片厚度越大 对强度性能的影响越大 该 处如果加垫 垫片的厚度可能比较大 实际的飞机设计项 目中 有根据测量数据制造该金属接头的先例 2常用飞机装配协调方法特点与适用性分析 2 1加垫片 除了带应力连接 加垫片工艺最简单 装配效率最 高 但会产生附加应力 降低连接区的疲劳强度等 8 9 为 了保证关键区域的载荷传递效率 目前某些飞机设计公 司 如空客公司 的设计理念是尽可能关键区域不加垫片 允许加垫片进行装配协调的部位尽可能降低垫片的厚度 垫片包括液体垫片 可剥垫片与实体垫片 液体垫片 适用于间隙小 面积大的不平坦区域 一般用于不大于 0 015 in 约 0 4 mm 的间隙 可剥垫片以一定厚度的金属 或复材薄片叠加而成 可以通过薄片撕除 切割改变垫片 的厚度与形状 10 适用于间隙中等的小面积或平直区域 实体垫片为铝合金 不锈钢 钛合金等 适用于间隙比较 大的部位 上述垫片类型经常组合使用 11 2 2带应力连接 在多大间隙下可以带应力连接 取决于结构所在部 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 图 5 外翼后梁翼根处 图 2 机翼剖面 接头 金属件 梁 复材件 上壁板 前梁 后梁 下壁板 本体铺层 牺牲层 机加位置 134 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 图 6 裂纹位置示意图 图 7 细节有限元模型模拟分析结果 单位 MPa 裂纹 位 结构材料等 需进行强度分析评估确定 经常较小的 间隙也会产生较大的应力 所以带应力连接这种方式一 般不能采用 12 某型飞机在静力试验加载到某阶段时 某 框外缘条圆角区出现裂纹 裂纹长度 36 mm 位置如图 6 所示 在调查原因时发现 该处在装配时 贴合面处有 0 8 mm 间隙 采用了带应力连接装配方案 针对出现裂 纹的部位建立有限元模型进行数值模拟 发现框外缘在 强迫装配情形下会出现很高的拉伸应力 高应力区域与 裂纹位置一致 如图 7 所示 在这种情况下如果结构继续 承载 势必会引起结构产生裂纹 2 3金属件加余量与复材件加牺牲层 在金属件非边缘的大曲面上加余量 由装配工人根 据实际情况进行锉修时 锉修效率较低 且精度不高 13 金属件加余量尽量在面积比较小的面上加 14 15 最适合于 在边缘加余量 这种情况下 锉修效率与精度都较高 如 在机身蒙皮边缘加余量以保证蒙皮的对缝间隙要求 复材件在装配过程中由工人进行修锉极为困难 加 工精度低 表面质量差 容易出现复合材料常见的劈裂 分层等缺陷 所以如果在复材件上加牺牲层 一般应在零 件状态根据实际情况对牺牲层进行机加处理 而不是等 到与其他零件形成组件以后 因此牺牲层主要用于补偿 复材零件的厚度公差 有时单靠牺牲层不能彻底消除装 配不协调问题 需要配合其他方式 另一方面 由于不同 纤维 不同树脂以及树脂 纤维与模具之间的热膨胀系数 有差异 复合材料层压板结构易出现固化变形 铺层不满 足对称均衡原则时 固化变形更加严重 复材件上加牺牲 层不容易保证铺层的对称均衡 会影响本体的固化变形 牺牲层部分去除之后的变形也不易预估 如果加牺牲层 除了要计算所需牺牲层的总厚度 下列几个因素不但与 复材件的固化变形有直接关系 还对制造成本 表面机加 质量等有影响 需要仔细考虑 1 牺牲层的具体铺贴区域 2 牺牲层采用的材料 3 牺牲层采用的铺贴顺序 4 牺牲 层与本体之间是采用的连接工艺 共固化 共胶接工艺或 二次胶接 飞机装配过程中 要尽可能在较早完成的装配 件上结合加垫片 金属件加余量 复材件加牺牲层 带应 力连接 根据测量数据生产零件等装配协调方法保证装 配质量 尽可能不使偏差向下级装配件上累积 以尽可能 减少大部件对接时的装配不协调 2 4根据测量数据生产零件 根据测量数据生产零件会降低飞机装配效率 影响 飞机生产进度 目前较少采用 一般在满足下列所有条件 才予以采用 1 零件生产周期短 2 零件用于大部件对接 以散件交付 3 与周边结构配合关系复杂 容易出现装配 问题且不适于用其他方式保证装配协调 由于根据测量数据生产零件的局限性 在零件贴合面 处可能会出现间隙或干涉时 金属件加余量与复材件加牺 牲层一般是保证不加垫片或降低垫片厚度的必要措施 3结语 本文结合实例分析 研究了常用装配协调方法的特 点与适用范围 包括加垫片 金属件加余量 复材件加牺 牲层 带应力连接 根据测量数据生产零件等 分析了它 们的特点与适用性 关于如何在这些装配协调方法中做 出选择 不同情况下结果不同 选择时要考虑结构的关键 性等级 强度要求 零件是金属材料还是复合材料 工艺难 度 装配效率等 有时需要组合使用多种装配协调方法 参考文献 1 牛福春 徐丹 张成 飞机装配容差分析技术研究 J 沈阳航空航 天大学学报 2015 4 30 36 2 杜娟 飞机装配不协调问题的原因分析及解决方法 J 中国高新 技术企业 2011 21 114 116 3 侯兆珂 国内外飞机装配技术发展对比研究解析 J 科技创新导 报 2015 8 97 4 范玉青 现代飞机制造技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2001 5 朱杰 非结构垫片修理对结构强度影响研究 J 科技创新导报 2015 12 31 35 36 6 郑佰林 大型飞机机翼的装配技术 J 科技创新导报 2012 1 20 7 刘华东 应斌 张志强 飞机复合材料水平尾翼装配技术 J 航空 制造技术 2009 24 26 30 8 张朋真 金霞 张桂书 等 复合材料翼盒装配工艺微规划研究 J 航空制造技术 2015 18 102 105 9 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 2 3 10 刘俊芝 可剥垫片 J 航空工艺技术 1982 12 5 7 11 岳胜 代多兵 安鲁陵 飞机结构装配间隙超差分析与对策 J 航 空制造技术 2013 12 81 84 12 蒋君荣 尹洋 航空零件装配后的加工 J 制造技术与机床 2012 2 124 126 下转第 137 页 135 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer 7 年第 7 期 13 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 14 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 15 黄春 李光丽 袁士平 等 机翼翼盒装配间隙精密补偿研究 J 航 空制造技术 2013 20 63 66 编辑 明 涛 作者简介 牛福春 1976 女 硕士 高级工程师 从事飞机结构设 计及装配容差分析方面工作 收稿日期 2016 12 02 上接第 135 页 为c a b 转子套装配过程尺寸变化按 顺序标注 在图中 图中尺寸按直径量 1 过盈量a的初步判断 转子与转子套的过盈量根据 电机转子样本为 170 mm圆柱结合面上直径量0 15 mm 转子套与主轴结合面 110 mm 同样温升产生过盈量a应 小于等于0 15 mm 2 转子套与转子装配后转子套内孔压缩量b的确定 转子与转子套热装后对转子套内径的压缩量 是温度不 同的两种零件组装达到同室温时的内应力产生的 可用 软件模拟产生这种热应力 从而确定转子套内孔第一次 装配的被压缩量 转子与转子套实际过盈0 15 mm进行热 装配 根据这一值模拟对转子加热使其内孔热膨胀变形 量达到0 15 mm 记录该加热温度值 图1所示内缩变形 量达到约0 15 mm 此时变形温度差 60 然后 转入转子套与转子组装分析 将转子套与转子 在软件中装配好 先对转子套与转子进行热绝缘热力分 析 转子外部载荷施加温度差 60 热力载荷 然后进 入静态分析 给转子套与转子施加接触连接 固定某点 将热力分析结果作为温度载荷加入进行分析 结果如图 4 由图测量知在转子内缩过盈内应力作用下 转子套内 径被压缩量b 0 0364 mm 3 过盈量a的确定 考虑装配间隙 按80 温升进行 转子套与转子整体模拟加热分析 结果如图5所示 转子 套内孔胀量为0 2166 mm 考虑转子套与转子过盈量为 0 15 mm 同时也为降低加热的温度 现也取实际过盈量 a 0 15 mm 取装配间隙d 0 05 mm 4 尺寸与装配结果的确定