飞机复合材料壁板装配中临时紧固件数量与布局研究

飞机复合材料壁板装配中临时紧固件数量与布局研究

陈丽婷

陕西飞机工业有限责任公司  陕西省汉中市  723000

摘要：飞机复合材料壁板装配关系到结构质量和安全，为避免壁板结构脱落、质量受到影响，使用临时紧固件固定，以减少结构件接触间隙。但紧固件数量和布局，会影响壁板装配的约束条件，消除间隙。本文结合实际情况，建立有限元模型，应用智能算法，完成飞机复合材料壁板装配中临时紧固件的数量和布局优化，提高复合材料壁板的间隙消除率，以提高装配质量。

关键词：飞机复合材料；壁板装配；紧固件；有限元模型

引言：复合材料具有质量轻、强度高、抗冲击强等优势，可减少装配中的零件使用数量，提高机身整体性能，使用量占据飞机整体材料用量的50%。但由于复合材料具有形变特点，容易产生回弹和翘曲现象，精度控制难度较大，使用临时紧固件能够减少间隙，避免材料的不均匀分布。因此，在壁板装配中，如何控制紧固件数量和布局，是控制装配质量的关键。

1有限元模型构建

模型构建涉及材料之间的接触、连接、约束和载荷等内容，材料和应力之间的相互影响属于非线性问题，采用高精度计算方法，配置参数，预测临时紧固件配置中的精度、效率等问题。模型包括飞机的壁板和骨料、临时紧固件，涉及材料属性、单元类型、接触属性和初始编号等内容。模型建立设计变量，变量内容为临时紧固件的位置、数量和预紧力。紧固件采用预钻孔的安装方法，在具体安装位置设置孔位编号，设置装配初孔编号为N，分量为H，用于表示布局，hi表示安装第i个临时紧固件的装配初孔编号，F表示预紧力。临时紧固件数量最大允许数量为M[1]。

在目标函数优化过程中，考虑紧固件数量过少或者过多所产生的影响，以达到最佳布局，使用多目标优化函数，求得最优解。使用ABAQUS软件建立有限元仿真模型，将间隙消除率作为控制目标，涉及间隙节点的测量数量为k，节点的数量为t，第k个节点处壁板与骨架的残余间隙及消除情况函数表达如下所示：

公式中的grk表示残余间隙，g0k表示初始间隙，Uk表示装配中的法向位移，△w表示装配间隙的最大值，即装配间隙的标准值。间隙在△w以内则可认定其不存在间隙的情况，满足Gk=0的基本要求时，则表明间隙并未消除，在Gk=1时，则表示无间隙节点。因此在数量优化和布局优化过程中，将间隙消除率作为依据，确定最终的数量，具体函数如下：

公式中的n表示紧固件的数量，公式中n与最优方案之间的关系为反比例关系，在确保优化结果可用性的前提下，应满足最低间隙消除率R0以上的基本要求[2]。

2复合材料壁板临时紧固件数量与布局优化

2.1预连接实验模型

实验设计应用T300碳纤维增强环氧树脂复合材料，在已经穿孔的基础上建立骨架支撑结构，使用遗传算法、变异算法求解有限元问题。设置遗传变异率、幅度、数量等相关参数的取值范围，给定最终优化算法的迭代次数，设置初始个体的临时紧固件数量和布局最优参数。在具体遗传算法应用过程中，无最优参数的前提下随机生成初代群体，完成对个体的检查和修补，在生成父代群体后，利用ABAQUS接口，设置临时紧固件与壁板之间的预紧力参数等，使用软件的UVARM程序，计算材料损伤，写入ODB文件之中。随后，从文件中读取结果，获得适合个体适应度的相关适应度，并将优秀个体保留到子代全体之中，使用遗传泛、变异算法，生成新的个体，完成迭代运算后，得到紧固件数量与布局优化的最佳方案[3]。

在预连接实验方案中，将飞机机翼的装配作为对象，壁板形状为矩形平面壁板，骨架使用铝合金材料，缘条与骨架平行。贴合程度在20%以内，设置骨架的弹性模量数值为70.5GPa，泊松比为0.32，尺寸为400×300×3.6mm，普叠层数为20层。在迭代优化计算过程中，为了实现孔位数量的最小，采用等间隔孔位分布的方案，梁孔位数量为6个，孔位间距为100mm，肋孔位数量为4个，间距为100mm，紧固件孔径为4mm，螺栓使用M545，弹性模量为200GPa。

2.2预连接实验方案

    在模型验证过程中，基于连接实验方案，结合模型中输入的参数，将模型安装到具体的位置。在实际安装过程中，内型面以梁为基准，梁缘条与壁板之间通常不会产生较大的间隙，肋缘条与壁板间设置均匀间隙，参数为0.6mm，按照预连接标准，间隙值在0.2mm内则表明间隙已经消除。在预连接布局过程中，使用H=（1、5、9、13、17、21）表示布局，优化螺栓预紧力数值应满足100N的基本要求，在模型中实验得到节点间隙测量点、法向位移、损伤、间隙消除率等相关参数，得到相关变形数据，有效确保测量的精度满足实际的要求。在实验方案验证过程中，使用遗传算法，将安装数量最优为目标，设置最大紧固件允许数量数值为8，荷载分量取值范围控制在2000N以内，设置具体的遗传参数，迭代次数为3、5、8，随车生成初代群体中的个体编码，完成反复迭代实验过程，最终将得到数值与预连接方案对比，以确定最终的数量和布局优化结果是否与预连接方案比较更佳。

2.3实验结果分析

    在有限元模型的计算结果下，与实际实验的结果对比分析，为减少计算时间，不施加重力作用，最终结果表明有限元模型的计算误差数值在1%以内。根据有限元模型的计算结果，避免的位移跨度数值在-0.298至0.694mm以内。沿着水平方向的切应变和正应变能结果表明，实际模型构建且保温材料壁板不产生损伤的情况下，壁板左上方的位移数值与右下方的位移数值相比，后拧紧的螺栓比先拧紧的螺栓预紧力降低10%左右。在确定具体影响的基础上，确定不同迭代次数下的实验优化结果，确定各个间隙的处理、紧固件数量、布局、预紧力等相关参数的优化效果。在第一次至第八次迭代计算结果下，适应度数值结果分别为0.11、0.15、0.14、0.12、0.12、0.13、0.14、0.14，间隙消除率分别为96%、86%、85%、0.85%、84%、88%、92%、93%，紧固件数量分别为6、6、5、5、6、5、4、5，扭矩力大小分别为800N、700N、600N、750N、650N、500N、900N、1000N，布局迭代计算结果分别为{5,12,14,16,18,20,21,24}、{4,8,13,16,20,22}{3,12,15,16,21,23}{3,5,11,14,19,21,23}{3,8,12,15,19,20,22}{4,9,14,16,19,20,21,24}{3,10,14,18,20,23}{5,8,14,15,20,22}。经过迭代优化计算之中，提取有限元模型中的节点数据，并将最大损伤作为判断的主要依据，间隙的消除率数值为0.75，临时紧固件的数量为6，适应度为0.07，比较预连接方案，适应度提升70%以上，间隙消除率提升20%左右，紧固件安装数量减少30%左右，对复合材料的壁板损伤影响最小。

结论：综上所述，本文基于复合材料建立了飞机有限元模型，使用遗传算法控制紧固件的数量和布局，预测复合材料的损伤状态，将其作为约束条件，尽可能减少材料之间的间隙，提高避免装配质量。该模型应用有效避免了装配孔数量过多或者过少对装配质量产生的影响，最大限度保障了壁板装配的质量。

参考文献：

[1]刘镇阳,翟雨农,李东升.飞机复合材料壁板装配变形控制技术研究与应用进展[J].航空制造技术,2022,65(18):46-54+78.

[2]李东升,杨应科,翟雨农.民用飞机复合材料机身壁板装配协调形性调控技术研究[J].复合材料学报,2022,39(09):4310-4318.

[3]黎雪婷,安鲁陵,岳烜德.飞机复合材料壁板装配中临时紧固件数量与布局优化方法[J].复合材料学报,2022,39(08):4102-4116.