夏毅銳，韓莉，戴京濤

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

飛機(jī)蒙皮鉚接修理中的鉚釘排布

夏毅銳，韓莉，戴京濤

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

對(duì)蒙皮鉚接修理中鉚釘排布方式對(duì)于修理效果的影響進(jìn)行研究和分析。在分析以往鉚釘排布方式的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件對(duì)不同鉚釘排布方式的鋁合金板材進(jìn)行應(yīng)力分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析鉚釘排布與板材強(qiáng)度之間的關(guān)系，最終得出鉚釘排布最佳方案。

鉚接修理；鉚釘排布；有限元

0 前言

飛機(jī)的框架是由各種各樣零件組裝而成，鉚釘連接是最常用的裝配工藝之一，盡管鉚釘連接有很多的缺點(diǎn)并且有很多的方法可以替代鉚接（如螺栓連接，焊接，復(fù)合材料連接等），但由于鉚接具有連接可靠、質(zhì)量輕、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此鉚接仍被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接中[1-3]。

目前，蒙皮的修理通常采用鉚接修理的辦法，在鉚接修理過(guò)程中鉚釘數(shù)量和排布方式對(duì)于修理的效果有著重要影響，但對(duì)于蒙皮鉚接修理的計(jì)算公式都是依據(jù)材料力學(xué)的剪切與擠壓理論，并利用以往的修理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正后得到的。針對(duì)目前修理工作中還缺乏確定最優(yōu)鉚釘數(shù)量及其排布方法的現(xiàn)狀，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)分析研究鉚釘載荷的傳遞以及載荷的分布規(guī)律，從而得出較為合理的鉚釘排布方案。

1 鉚釘排布的相關(guān)問(wèn)題

在飛機(jī)的鉚接修理過(guò)程中，不僅要保證鉚接構(gòu)件的強(qiáng)度，還要選擇合適的鉚釘及合理的布置。當(dāng)鉚釘和構(gòu)件受力時(shí)，鉚釘會(huì)產(chǎn)生剪切和擠壓變形。當(dāng)鉚釘?shù)钠茐募袅推茐臄D壓力何一方達(dá)到破壞時(shí)，另一方的剩余強(qiáng)度都將失去作用。在實(shí)際的修理過(guò)程中，鉚釘構(gòu)件的厚度是由幾個(gè)構(gòu)件的厚度疊加在一起的，通常鉚釘?shù)闹睆讲捎霉絒4]（1）計(jì)算。

式中d——鉚釘?shù)闹睆?/p>

δ——鉚接構(gòu)件的總厚度

一排鉚釘?shù)闹行木€(xiàn)與它相鄰另一排鉚釘?shù)闹行木€(xiàn)之間的距離稱(chēng)為排距，用a表示；在一排鉚釘中，相鄰的2個(gè)鉚釘中心之間的距離，稱(chēng)為鉚距，用t表示；邊緣一排鉚釘?shù)闹行木€(xiàn)至構(gòu)件邊緣的垂直距離，稱(chēng)為邊距，用c表示（圖1）。

當(dāng)鉚接構(gòu)件承受拉力時(shí)，板件承受拉力，鉚釘承受剪力，板與鉚釘相互擠壓承受擠壓力，在鉚釘處板還承受剪力。如果鉚釘布置不合理，鉚距過(guò)小，板就容易被拉斷；邊距過(guò)小，板就容易被剪壞。在實(shí)際修理工作中，通常采用公式（2）計(jì)算排距、鉚距和邊距[2]。

式中d——鉚釘?shù)闹睆?/p>

目前在實(shí)際修理過(guò)程中基本上都是按照這種鉚釘直徑的選擇和鉚釘?shù)呐挪紒?lái)進(jìn)行修理的。公式（2）給出的鉚距是一個(gè)大致的范圍，鉚距如何選定會(huì)對(duì)修理的效果產(chǎn)生很大的影響，并且這還不能保證每次維修的質(zhì)量，給修理工作埋下了隱患。

2 鉚接板受力分析仿真計(jì)算[5]

在鉚接過(guò)程中，由于鉚接孔存在的原因，在孔壁附近會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，因而鉚釘連接處通常最容易發(fā)生破壞。針對(duì)于這種情況，對(duì)鉚接板應(yīng)力分布的情況進(jìn)行軟件仿真計(jì)算。

2.1 不同鉚距對(duì)板材最大應(yīng)力的影響

選擇140×50×1.5 mm的2A12板材為研究對(duì)象，中心圓孔的直徑為8 mm（這里將中心圓孔假定為板材的破壞區(qū)域），一排有2個(gè)鉚釘孔，鉚釘孔直徑4 mm，根據(jù)公式（2），分別選擇鉚距為12 mm、15 mm、24 mm，對(duì)不同鉚距的板材均在板材兩端施加24 MPa的拉力得到的等效應(yīng)力云圖（圖2～圖4）。

由等效應(yīng)力云圖可以看處，不同鉚距的板材應(yīng)力云圖是類(lèi)似的。其中鉚距為12 mm的板材在右側(cè)上方鉚釘孔6點(diǎn)方向位置處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力SMAX=51.77 MPa；鉚距為15 mm的板材在右側(cè)上方鉚釘孔6點(diǎn)方向位置處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力SMAX= 49.57 MPa；鉚距為24 mm的板材在左側(cè)上方鉚釘孔12點(diǎn)方向位置處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力SMAX=51.83 MPa。

此外，還計(jì)算了鉚距為18 mm、21 mm板材的等效應(yīng)力云圖，根據(jù)這些等效應(yīng)力云圖的最大應(yīng)力，可以得到不同鉚距排布下板材受到的最大應(yīng)力曲線(xiàn)圖（圖5）。

通過(guò)對(duì)不同鉚距的鉚釘排布方案的仿真分析可知，鉚距過(guò)大或者過(guò)小都不利于修理效果及質(zhì)量。

2.2 不同直徑的鉚釘孔對(duì)板材最大應(yīng)力的影響

選擇工程中常用的3 mm，3.5 mm鉚釘為研究對(duì)象，板材初始條件與2.1中相同，鉚距統(tǒng)一選為15 mm，對(duì)不同的鉚釘孔直徑的板材均在板材兩端施加24 MPa的拉力，得到的等效應(yīng)力云圖（圖6，圖7）。

鉚釘孔直徑3 mm的板材最大應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)上方鉚釘孔12點(diǎn)方向位置，最大應(yīng)力SMAX=51.07 MPa；鉚釘孔直徑3.5 mm的板材最大應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)上方鉚釘孔6點(diǎn)方向位置處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力SMAX=49.37 MPa。

根據(jù)圖3、圖6、圖7可以得到不同直徑鉚釘孔板材的最大應(yīng)力曲線(xiàn)。圖8。

通過(guò)對(duì)比不同鉚釘孔直徑對(duì)于鉚接板材強(qiáng)度的影響可知，當(dāng)鉚釘孔直徑為3.5 mm和4 mm時(shí)，板材強(qiáng)度相差不大，直徑3.5 mm的鉚釘孔排布略好于直徑4 mm的鉚釘孔排布，這與經(jīng)驗(yàn)公式（1）所得到的鉚釘直徑d=3.46 mm是非常接近的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制作140× 50×1.5mm的2A12試件若干，中心鉆直徑8 mm的圓孔，中心圓孔上下各鉆2個(gè)鉚釘孔，試件如圖9所示。本次實(shí)驗(yàn)使用的萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為泰斯特WD-P3205，精度等級(jí)為1級(jí)，最大靜載荷100 kN，速度為0.01～200mm/min。

圖1 鉚釘?shù)呐挪?/p>

圖2 鉚釘孔徑4 mm、鉚距12 mm

圖3 鉚釘孔徑4 mm、鉚距15 mm

圖4 鉚釘孔徑4 mm、鉚距24 mm

圖5 最大應(yīng)力與鉚距曲線(xiàn)圖

3.1 鉚釘孔直徑為3 mm的板材實(shí)驗(yàn)結(jié)果

制作直徑為3 mm鉚釘孔的試件，鉚距選擇為3～9d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得到不同的排布方案（即鉚距的不同）與載荷曲線(xiàn)，圖10。

3.2 鉚釘孔直徑3 mm的板材實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照同3.1的鉚釘孔的排布方案保持不變，各組的編號(hào)也相應(yīng)保持不變，只是鉚釘孔直徑變?yōu)?.5 mm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到表2中的數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)得到不同的排布方案與載荷曲線(xiàn)，圖11。

圖6 鉚釘孔徑3 mm、鉚距15 mm板材的等效應(yīng)力云圖

圖7 鉚釘孔徑3.5 mm、鉚距15 mm板材的等效應(yīng)力云圖

圖8 最大應(yīng)力與鉚釘孔直徑關(guān)系曲線(xiàn)

3.3 鉚釘孔直徑4 mm的板材實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照同3.1的鉚釘孔的排布方案保持不變，各組的編號(hào)也相應(yīng)保持不變，只是鉚釘孔直徑變?yōu)? mm，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到表3中的數(shù)據(jù)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)得到不同的排布方案與載荷曲線(xiàn)，圖12。

根據(jù)表2～4中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知，不同鉚釘直徑大小的排布方案均顯示在鉚距t=6d時(shí)，板材所能承受的破壞載荷最大，并且所能承受的載荷比帶中心圓孔板材所能承受的載荷大，這也說(shuō)明對(duì)于一排鉚釘而言最優(yōu)的鉚距值為6d；由各表中的C，D，E組數(shù)據(jù)可知對(duì)于同一種鉚釘?shù)呐挪挤桨付?，?dāng)鉚釘直徑為3.5 mm時(shí)，板材對(duì)應(yīng)的破壞載荷最大，因此對(duì)于板材厚度為1.5 mm的板材，最優(yōu)的鉚釘直徑為3.5 mm，這與經(jīng)驗(yàn)公式（1）和前面有限元仿真得到的結(jié)果是一致的。

圖9 實(shí)驗(yàn)板材

表1 鉚釘直徑3 mm排布方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 鉚釘孔直徑3 mm的鉚距與載荷曲線(xiàn)

4 結(jié)論

蒙皮鉚接修理過(guò)程中，鉚釘?shù)牟季中问綄?duì)提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)性能和保證鉚接連接件的質(zhì)量有重大意義。基于ANSYS軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)鉚釘?shù)南嚓P(guān)排布方案進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？芍?jīng)驗(yàn)公式得到的鉚釘直徑與有限元計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到的結(jié)果一致，對(duì)于單排鉚釘?shù)淖顑?yōu)排布方案為鉚距t=6d時(shí)，此時(shí)板材的抗拉強(qiáng)度最大，且優(yōu)于帶破孔板材，因此鉚接修理的效果最好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得基本與ANSYS軟件所得的結(jié)果吻合，這也說(shuō)明了軟件仿真的可信度較高。本文只是對(duì)最簡(jiǎn)單鉚釘排布方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，缺少對(duì)某些復(fù)雜情況下鉚釘排布的分析。下一步研究需要對(duì)各種復(fù)雜情況下鉚釘?shù)南嚓P(guān)排布問(wèn)題進(jìn)行分析。

表2 鉚釘直徑3.5 mm排布方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11 鉚釘孔直徑3.5 mm的鉚距與載荷曲線(xiàn)

［1］陳福玉.航空鉚接連接件疲勞壽命研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［2］張洪雙.鉚接工藝參數(shù)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（6）：241-243.

［3］Nanjiang Chen，Richard Ducloux，Christel Pecqu et al.Numerical and Experimental Studies of the Riveting Process[J].International Journal of Material Forming，2011（4）：45-54.

［4］胡芳友，戴京濤.飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷修理[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2011.

［5］夏建芳，葉南海.有限元法原理與ANSYS應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011，（10）.

〔編輯 王永洲〕

表3 鉚釘直徑4 mm排布方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖12 鉚釘孔直徑4 mm的鉚距與載荷曲線(xiàn)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.50

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