电磁铆接技术在某机复材结构上的应用研究

针对飞机鸭翼、内外副翼、腹鳍以及方向舵装配中普通铆接存在的安装损伤问题，研究了复合材料结构的电磁铆接工艺。通过试验得出锪窝深度、钉孔间隙及铆钉外伸量等电磁铆接工艺参数。对不同铆接方法的钉杆膨胀量进行了测量，分析了现用铆接方法产生损伤的原因。钉孔挤压应力和面外拉伸应力对比试验及接头损伤检测结果表明：对于某机的复合材料结构用电磁铆接代替普通铆接，能够解决普通铆接存在的安装损伤问题。     

航空复合材料结构铆接技术综述

当前复合材料已成为飞机结构最主要的材料之一,然而我国复合材料应用与世界先进水平相比还存在一定差距,典型特征是复合材料用量占比较低。和金属结构相比,连接是复合材料结构制造与装配的薄弱环节,复合材料各向异性、脆性等特点决定了其连接面临的问题更复杂。复合材料结构采用铆接对于飞机减重、控制制造成本具有积极作用,但复合材料铆接易产生损伤,限制了其在关键连接部位应用。对航空复合材料结构铆接技术的应用进行了系统介绍,包括铆接工艺及方法、复材铆接结构形式和复材铆接所用紧固件;指出铆接过程中复合材料产生损伤的3个主要方面：制孔过程的损伤,铆接过程复合材料结构表面承受的冲击损伤,以及镦头成形、钉杆膨胀时对复合材料的挤压损伤;重点针对安装过程对复合材料造成的冲击损伤、铆钉膨胀对复合材料造成的挤压损伤进行分析并提出相应的解决措施,主要从减小钉杆膨胀对复材的挤压程度、对复合材料采取保护措施两个方面入手;对比研究结论认为,制定合理的工艺规范、采用先进的铆接工艺方法和重视垫圈的保护作用可以有效抑制复材铆接损伤、提高复材铆接质量。最后,对复合材料铆接技术的发展提出了展望。     

锥形件结构的半自动化电磁铆接托架

分析了航天锥形件结构普通铆接方法存在的问题,提出采用电磁铆接技术具有一定的优势。针对手工电磁铆接和自动化电磁铆接的不足,提出了电磁铆接技术在航天锥形件结构装配应用中的工艺方法,设计了半自动化电磁铆接系统托架的结构和工作流程。该系统关键技术包括铆枪和顶铁自动对中、工件精确角度自动调整及铆枪减振系统设计。最后,对半自动化电磁铆接托架可以解决手工铆接出现的问题进行了总结。     

铆模倾角对铆接质量的影响研究

 电磁铆接(EMR)作为一种新的铆接工艺方法,可以使铆钉在铆模型腔内一次完成镦头成形。为了研究铆模构型对EMR质量的影响,通过数值模拟和试验对不同倾角铆模铆接的铆钉镦头、干涉量和残余压应力进行了研究分析。设计疲劳试验对不同倾角铆模铆接的试件进行验证和分析。研究结果表明:铆模倾角对干涉量有较大影响,倾角越小,干涉量越大;采用66°铆模倾角可以实现较理想的干涉配合,接头疲劳寿命最长。     

电磁铆接技术的发展、设备研制及应用探讨

电磁铆接能形成较均匀干涉配合连接,可以有效地施铆钛、不锈钢等强度高、屈强比高、对应变率敏感的难成形材料铆钉,形成良好的连接。对于大直径铆钉或厚夹层结构,应用电磁铆接也可以实现良好的干涉配合铆接。结合自动化,电磁铆接还可以用于现代飞机金属和复合材料结构的镦铆型环槽钉的自动化安装。     

电磁铆接技术在大飞机制造中的应用初探

 电磁铆接是一种新型连接工艺,本文介绍了电磁铆接技术的特点及其发展。针对大飞机制造的技术需求,分析了电磁铆接技术在大飞机研制中的作用,重点介绍了电磁铆接技术在干涉配合铆接、复合材料结构铆接、干涉配合紧固件安装等方面的应用。实验研究表明电磁铆接形成的干涉量均匀,能够提高结构疲劳寿命,可以安装大干涉量干涉配合紧固件,对复合材料结构铆接可以减少安装损伤。分析了为满足大飞机研制的需要,中国下一阶段在电磁铆接技术方面要进行的工作。     

复合材料的干涉配合铆接

分析了复合材料结构采用干涉配合技术存在的工艺困难，利用应力波铆接设备对碳纤维复合材料进行了干涉配合铆接试验，并对铆接质量进行了检测分析。结果表明，应力波铆接可以产生合适的干涉量，能提高初始破坏挤压强度；不会造成复合材料的安装损伤     

复合材料斜面压铆和锤铆铆接质量对比分析

通过试验对复合材料斜面机器压铆和手工锤铆两种铆接方法的质量进行评估。评估内容主要包括铆钉的外观质量、复材铆接件的外观质量、无损检测和力学性能测试4个部分。结果表明:压铆的铆钉比复材铆接件的外观质量更好,受人为因素影响小;在无损检测后,压铆后的复材铆接件没有出现分层现象;在力学性能测试部分,压铆的铆接强度优于锤铆的铆接强度。可见在复合材料铆钉中压铆更具有实用性和适用性。     

理想干涉配合铆接

针对目前普通干涉配合铆接的干涉不均匀、干涉量不合理等问题,提出了理想干涉配合铆接的概念。对不同铆接方法的钉杆膨胀情况进行了对比,提出利用电磁铆接实现理想干涉配合铆接,并对基于电磁铆接的理想干涉配合铆接工艺进行了实验研究。     

钛合金结构干涉配合铆接工艺研究

为提高某型机结构寿命,针对目前钛合金结构采用普通铆接方法的现状,提出对钛合金结构采用干涉配合铆接工艺。采用普通锤铆研究了不同直径铆钉外伸量和钉孔间隙等工艺参数与干涉量关系,得出φ3.5和φ4钛铌铆钉的最佳钉孔间隙均为(0.08±0.02)mm,以及在该间隙下合适的外伸量为(1.2~1.3)d。试验结果表明在该工艺参数下得到较理想干涉量为0.8%~1.0%且铆接质量良好。     

Interference-fit riveting technique in fiber composite laminates

Interference strengthening technology is a common method of improving the fatigue life of metal assemblies, and is particularly used to prolong service life of metal structures. Composite materials have lower interlaminar strength and lower stretch ratio making it difficult to implement interference-fit joining, especially interference-fit riveting. The primary difficulty is controlling the interference to prevent damaging to the composite structure. The expansion of the rivet shaft by conventional riveting techniques is non-uniform and easy to damage the composite structure. Hence, interference-fit riveting is not recommended in composite structures. However, experimental results have shown that interference strengthening technology can be effectual in composite structures. The paper describes an electromagnetic riveting (EMR) technique which can create a well-distributed shaft expansion, and can be used to conduct interference-fit riveting in composites structures. This paper gives out that using an especial washer and appropriate clearance between shaft and aperture wall can restrict shaft expansion and prevent damaging to composites, and also studies the configuration of the washer and the clearance of riveting composite laminates. The paper also reports on an investigation involving a comparison of shaft expansion between hydraulic squeeze riveting and EMR. The experiments show that EMR technique can achieve an interference-fit riveting in fiber composite structures.     

自激励式电磁铆接放电电流分析

电磁铆接是一种将电磁能转化为机械能的铆接工艺。传统感应式低电压电磁铆接存在能量利用率低、难以解决高强度大直径铆钉和难成形材料铆钉的铆接等问题。基于自激励式电磁铆接技术,建立放电电流分析模型,通过数值分析与工艺试验探讨自激励式电磁铆接进行大直径铆钉成形的可行性。研究结果表明建立的电磁铆接放电电流分析模型可实现传统感应式和自激励式电磁铆接放电电流分析,分析结果与试验吻合较好;放电能量相同时,自激励式电磁铆接的涡流斥力峰值要远大于感应式的涡流斥力,能有效提高能量利用率,是实现大直径铆钉成形的有效方式;在放电电压为320V时,自激励式电磁铆接可实现直径为10mm的45号钢铆钉的成形,其变形以绝热剪切的方式进行。     

Electromagnetic riveting technique and its applications

With the increasing applications of novel materials and structures in new-generation aircraft, conventional joining techniques in aircraft component assembly are greatly challenged. To meet those challenges, the electromagnetic riveting (EMR) technique was developed as an advanced joining tool, which exhibits obvious advantages in the assembly of new-generation aircraft. In this paper, the riveting principle of EMR was analyzed, and its development history and status were presented in detail. Then, equipment features of three typical EMR systems were given. Moreover, three important applications of EMR were covered, i.e., composite structure riveting, titanium rivet and large-size aluminum rivet riveting, and interference fit bolt installation. Specially, a novel strengthening method for mechanical linking holes based on EMR was also presented, which can significantly improve the fatigue behaviors of mechanical joints. Finally, open questions in the EMR field were discussed, and some recommendations for future work were also made. This paper can be useful for optimizing the joint designs of aircraft components and improving the level of aircraft maintenance.     

基于对称加载的均匀干涉配合铆接方法

铆接干涉量均匀度是影响飞行器装配接头疲劳寿命、结构铆接变形的重要因素之一。为了提高铆接干涉量均匀度,采用基于应力波加载的电磁铆接双面铆接方法,对对称加载的铆接工艺方法进行了研究。利用应力波传播和叠加原理对对称加载的钉杆应力水平进行理论分析,试验测量了电磁力应力波及其叠加效应。通过工艺试验和微观分析,研究了对称加载方法对铆接质量的影响。研究结果表明:对称加载方法下,双向应力波同步触发,脉冲宽度相等,钉杆理论应力水平高于单面加载;在对称应力波作用下,整体钉杆干涉量均匀,并形成有效干涉,钉头与夹层贴合紧密;对称加载钉孔绝对干涉量更大,平均干涉量大于单面加载14%,干涉量均匀度高出单面加载37.5%,有利于实现连接结构的疲劳寿命增益;对称加载方法引起的结构件铆接变形量小于单面加载,更容易保证装配件外形准确度。     

钛合金板铆接修理复合材料机身蒙皮分析

波音787飞机的机身蒙皮采用全复合材料,对于复合材料机身蒙皮的修理,波音787结构维修手册给出了明确的修理方案,其中包括复合材料机身蒙皮的钛合金板铆接修理。然而,对维修方案背后的理论依据,即强度、刚度等力学特性要求没有叙述。基于此,本文对复合材料机身蒙皮的钛合金板铆接修理建立了两种维修的三维有限元模型,分析了这两种维修方案母板、补片和填平板的应力大小和应力分布特性。研究表明:复合材料机身蒙皮大的穿透型裂纹钛合金板铆接修理能够满足静强度要求,两种维修方案的钛合金补片破坏源发生在不同位置。     

航空铆钉连接件的抗冲击性能

以分离式Hopkinson拉杆装置为基础，设计了特殊的铆接试验件，对MS20615铆钉的铆接结构开展了动态加载下不同加载角度、不同加载速率的力学性能试验。结合其准静态试验结果，获得了铆接结构在纯剪切、30°拉剪耦合、45°拉剪耦合、60°拉剪耦合和纯拉伸试验下的力学性能参数。试验结果表明，加载角度、加载速率对铆接结构的失效载荷与失效模式有显著的影响。在试验结果的基础上，使用有限元软件LS-Dyna建立了铆接结构的简化模型，对比了试验和数值模拟得到的铆接结构载荷-位移曲线，并对简化数值模型进行了网格相关性分析，验证了简化的铆钉单元模型的可行性。