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。     

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。     

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.     

钛合金结构干涉配合铆接疲劳试验研究

干涉配合能提高接头疲劳寿命,已成为目前最有效的强化工艺方法之一。国内外飞机制造中已广泛应用干涉配合,但我国目前飞机制造中的干涉配合铆接只限于铝合金结构。钛合金优越的性能使其在飞机结构中的应用比例大幅提高,但钛合金结构的干涉配合铆接在我国飞机制造中还是一个空白。针对某型机的实际结构对钛合金结构的干涉配合铆接疲劳性能进行了试验研究。研究结果表明,较普通铆接干涉配合铆接可明显提高接头疲劳寿命,加载的应力水平越低,疲劳寿命提高越明显。另外,钉孔间隙等工艺参数对疲劳寿命增益也有较大影响。     

过盈配合对复合材料多钉连接强度的影响研究

过盈配合能改善复合材料连接结构载荷分配的不均匀程度,对过盈配合进行分析研究能为过盈配合在复合材料多钉连接中的设计应用提供工程参考价值。对一列三钉复合材料连接结构进行二维分析,通过改变接触关系来模拟过盈配合,并利用ABAQUS软件中的USDFLD子程序对结构进行损伤分析,从损伤机理出发,揭示过盈配合结构的损伤形态形成原理,研究过盈配合在结构损伤过程中对螺栓载荷分配的影响变化规律,及其对连接结构初始破坏强度和极限强度的影响。研究结果表明：适当的过盈配合能够实现载荷分配的均匀化,提高结构的初始破坏强度;过盈配合对结构极限强度的影响不大。     

干涉配合铆接对疲劳强度的影响

通过试验，研究了干涉配合铆接试件相对于普通铆接试件疲劳强度的增益，估算了冠状铆钉干涉配合的填充作用。研究结果表明：在中寿命区，干涉配合铆接的疲劳强度比普通铆接的疲劳强度提高约25％。通过理论计算与试验结果的对比。建议冠状铆钉干涉配合的填充系数可取为0．474。     

航空复合材料结构精密干涉连接技术综述

凭借在强度、韧性及寿命上的优势,复合材料尤其是碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）逐渐作为主承力结构应用于飞机产品,但由于极易产生连接损伤,其机械连接正面临"干涉破坏强度,非干涉降低性能"的矛盾。而其关键在于对干涉量的精密控制,即实现复合材料结构的精密干涉连接。针对此问题,本文分析了航空复合材料结构精密干涉连接的特点、难点与应用现状,并提出了航空复合材料结构精密干涉连接技术体系框架,重点归纳总结了航空复合材料结构精密干涉连接的三大核心问题：复合材料干涉连接孔周应力分析方法、干涉连接结构损伤萌生与扩展机理、干涉连接结构力学性能退化机制的学术发展脉络及现有问题,在此基础上,指出了未来航空复合材料结构精密干涉连接技术在模型、紧固件、工艺、材料等层面的发展趋势。     

楔形复合材料结构电磁铆接工艺

 针对某型机鸭翼、副翼装配中楔形复合材料结构铆接存在的安装损伤问题,分析了损伤产生的原因,提出采用电磁铆接方法进行铆接。研究了复合材料结构的电磁铆接工艺,通过试验得到了锪窝深度、钉孔间隙、铆钉外伸量等电磁铆接工艺参数,并提出采用斜面铆模铆接楔形复合材料结构。为分析铆接质量,对不同铆接方法的钉杆膨胀情况进行了比较,并采用C扫描对不同铆接方法铆接的接头进行了损伤检测。结果表明：采用电磁铆接工艺能够提高复合材料结构的铆接质量,斜面铆模可以减小安装损伤,能够解决普通铆接方法铆接复合材料结构时存在的问题。     

TC4钛合金紧固件孔E-I强化研究

 介绍TC4(Ti-6Al-4V)钛合金螺栓孔无衬套冷胀孔干涉配合综合强化的研究结果。实验证明,在给定的条件下,冷胀孔强化的TC4板状空孔试件的疲劳寿命增益系数(LIF)为13,干涉配合螺栓连接的LIF=3,而E-l强化件的疲劳寿命比单纯干涉配合又有成倍提高。电镜断口分析表明TC4合金强化件的疲劳裂纹的形成和扩展与LY12CZ及30CrMnSiA相似,它们不表现为典型的角裂纹,即沿板平面和厚向扩展速率有明显差异。对于TC4合金,在改善疲劳品质上,带衬套冷胀孔强化比无衬套冷胀孔强化好得多。     

应力波安装干涉配合紧固件

用应力波安装干涉配合紧固件,可以避免或减轻用静压法或锤击法安装时造成的初始损伤。用应力波法试验安装了30CrMnSiA钢干涉配合紧固件并作了疲劳试验,分析了安装损伤和应力波安装法的影响因素。     

自动钻铆最佳干涉量试验研究

在MPAC自动钻铆机上采用不同压铆力对7075铝板进行自动钻铆试验研究,分析了压铆力对干涉量和疲劳寿命的影响,得出了压铆力为21kN时试件的疲劳寿命最好,此时的干涉量为1.53%~1.77%。通过压铆力与镦头膨胀率之间的线性关系,得出最佳干涉量的直观判断方法,即镦头膨胀率为76.85%左右时试件取得最佳干涉量。     

干涉对复合材料机械连接强度的影响

采用ANSYS10.0软件,以有限元分析为主要手段分别对间隙配合及干涉配合复合材料机械连接进行了三维模拟。在模拟过程中综合考虑了复合材料特性、螺栓与复合材料板及复合材料板与复合材料板之间的摩擦和接触以及螺栓和复合材料板的约束条件。解决了复合材料干涉配合高精度有限元模拟的关键技术,并通过预紧单元引入拧紧力矩。以此为基础,研究了间隙及干涉对复合材料机械连接强度的影响。结果表明:在复合材料机械连接中采用干涉量适当的干涉配合可以有效提高接头强度。     

纤维增强复合材料涡轮轴结构疲劳寿命预测

研究了连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在给定低循环载荷作用下的疲劳寿命估算方法.考虑连续纤维增强复合材料结构特性,研究了基于局部应力应变法的低周疲劳寿命预测方法,并对预测方法的有效性进行了验证.基于此方法,计算了某型航空发动机低压涡轮轴的最大应力、应变和疲劳寿命.结果表明:在0°~90°范围内,45°铺层角度的复合材料层疲劳寿命值最大;当金属厚度不变,外层金属和首层复合材料层的疲劳寿命随复合材料厚度增加而增大;当轴结构壁厚保持6mm不变,减小复合材料层的厚度,同时相应增大最内层或最外层金属包套的厚度,其结构疲劳寿命都随着复材层的厚度减小而减小;外层金属包套的寿命则远大于首层复合材料的疲劳寿命.      

干涉对复合材料叠层板螺栓连接疲劳强度的影响

 本文对复合材料层合板干涉配合连接结构的疲劳特性进行了试验研究。结果表明,适量干涉能有效地提高连接区的疲劳寿命。对被研究的材料和铺层情况,在2％干涉量配合中,疲劳寿命比滑配合情况提高2～3倍。文中分析了产生该结果的原因,强调了试件加工和装配方法,并对疲劳寿命限的定义和最佳干涉量的选取给予了解释。     

Modeling on mechanical behavior and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under thermal effects

This paper reports the modeling method and outcomes of mechanical performance and damage evolution of single-lap bolted composite interference-fit joints under extreme temperatures. The anisotropic continuum damage model involving thermal effects is established on continuum damage mechanics which integrates the shear nonlinearity constitutive relations characterized by Romberg-Osgood equation. The temperature-induced modification of thermal strains and material properties is incorporated in stress-strain analysis, extended 3D failure criteria and exponential damage evolution rules. The proposed model is calibrated and employed to simulate behavior of composite joints in interference fitting, bolt preloading, thermal and bearing loading processes, during which the influence of interference-fit sizes, preload levels, laminate layups and service temperatures is thoroughly investigated. The predicated interfacial behavior, bearing response and failure modes are in good agreement with experimental tests. The numerical model is even capable of reflecting some non-intuitive experimental findings such as residual stress relaxation and matrix softening at elevated temperatures.     

LY12CZ铝合金干涉螺接件微动损伤防护技术

 本文分析研究LY12CZ铝合金干涉螺接件的微动损伤防护技术。讨论了不同干涉量、表面处理技术、孔的加工方法及防护夹层对其微动损伤及疲劳寿命的影响。应用断口分析的方法研究了其微动损伤区的形貌、裂纹的起始部位及形式。提出了提高LY12CZ干涉螺接件疲劳寿命的方法。     

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。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

基于DEFORM-3D的自封铆接工艺研究

铆接工艺参数对自封铆接干涉量产生重要影响。采用有限元仿真软件DEFORM-3D,以2117-T4材料、直径4mm的半圆头自封铆钉及2024-T3材料的铝板为研究对象,分析自封铆接的3个主要工艺参数钉孔直径、顶铁形状及压铆力对铆接质量的影响。仿真结果表明,钉孔直径范围在4.01~4.02mm,采用凹槽顶铁及较大的压铆力会增加铆接干涉量,提高铆接件的密封性能。     

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。