目前, 机械连接仍是现代飞机装配的主要连接形式, 具有高可靠性、可拆卸、传载大等优点^[1-3]。干涉配合螺栓连接是机械连接的主要形式之一, 可有效提高飞机结构接头疲劳寿命^[4]。例如D Croccolo等^[5]验证了干涉配合螺接试件具有更高的疲劳寿命, T N Chakherlou等^[6]则发现干涉配合螺接结构在特定干涉量下可实现最优疲劳寿命。对于复合材料结构, 刘辉等^[7]发现干涉量0.8%~1.0%的接头疲劳寿命是普通连接的3倍。张岐良、Zhao Q等^[8-9]亦对复合材料干涉配合螺接性能的影响因素进行了研究, 发现小干涉量过盈配合能极大地提高接头强度。

钛合金螺栓干涉配合能减轻结构重量并显著提高结构寿命, 在先进飞机制造技术中被广泛使用, 如B747装配过程中干涉配合钛合金高锁螺栓使用数量达到了4万枚^[10], 大运和四代机制造都采用了上万个干涉配合高锁螺栓^[11]。其安装方法可分为准静态安装和动态安装。姜杰凤等^[12]通过数值模拟和实验相结合对钛合金高锁螺栓干涉配合准静态安装工艺进行了研究, 指出了减小凸瘤的工艺措施。Bi Y B、段元欣等^[13-14]等亦通过数值模拟研究了静态压入力与摩擦力的问题。然而, 准静态安装方法可安装干涉量较小, 对于大干涉量的安装容易造成孔壁划伤、结构局部变形, 甚至引发孔口裂纹。动态安装是通过对紧固件施加较高的初速度, 在极短时间内完成安装, 如应力波安装。目前的研究表明动态安装具有可安装干涉量大, 安装阻力及孔壁损伤较小等优点, 尤其针对大孔径、厚夹层、高干涉量航空连接结构的紧固件安装具有明显优势^[15-16]。但是动态安装机理目前尚不完全清楚且缺乏安装过程的系统分析, 导致这一工艺的应用受到限制。

基于以上考虑, 本文利用应力波安装技术对M8钛合金干涉螺栓的动态加载安装进行了研究, 对安装阻力、凸瘤进行对比分析, 为钛合金干涉紧固件的应力波安装技术的工程应用提供了依据。

1 理论分析1.1 应力波安装原理

图 1为基于应力波加载的安装原理图。安装过程中, 电容对安装枪放电, 安装枪产生电磁力应力波对紧固件进行加载, 紧固件高速运动, 最终克服安装阻力完成安装。P G Reinhall等^[17]提出可假定安装力为时间的正弦函数, 本文亦将安装力简化为

(1)

式中, F_m为安装力-时间函数, F_P为安装力峰值, ω为放电回路圆角频率, t为时间。

1.2 安装阻力

安装阻力是造成大直径、厚夹层、高干涉量紧固件安装困难的主要原因。安装阻力满足计算式

(2)

式中, F_R为安装孔壁与紧固件的摩擦力, F_Z为干涉量引起的剪切阻力。其中F_R满足公式

(3)

式中, μ为安装孔壁与高锁螺栓接触面摩擦因数, σ_r为安装孔处的径向应力, D为安装孔的直径, s为高锁螺栓沿安装方向相对安装位移。基于动态加载原理, s可进一步分解为

(4)

式中, T为安装时间, m为螺栓和安装枪驱动头总质量。将公式(3) 和公式(4) 代入公式(2) 可得

(5)

将公式(1) 代入公式(5) 可得

(6)

2 试验设计2.1 安装阻力测量

本文以M8钛合金高锁螺栓为安装对象, 试件由长280 mm, 宽92 mm, 厚14.5 mm的双层7075-T651铝合金板组成, 两端通过螺栓连接固定。每组试样设计10个安装孔, 钉孔横向间距为50 mm, 纵向间距为42 mm。试样采用1次钻孔, 3次铰孔进行孔加工。试验参数如表 1和表 2所示, 表中: L为高锁螺栓光杆部分的长度, L₁为螺纹段部分的长度, d为高锁螺栓的直径, D为安装孔的直径, I为相对干涉量。参数研究中每组参数做3次试验, 以减小偶然误差。

试验使用西北工业大学生产的EMR-1000电磁铆接设备, 铆枪质量为20 kg, 放电回路电感L为28 μH, 放电电容为18.8 mF, 电阻为23 mΩ, 线圈匝数为34匝。安装及阻力测试实物如图 2所示。

2.2 凸瘤高度测量

凸瘤是干涉配合紧固件安装中特有的现象, 易导致接头应力集中, 引起叠层板件局部分离, 同时加快局部磨损腐蚀, 因而是连接接头损伤的主要萌生点之一。研究表明安装孔出口处凸瘤最为明显, 且直接影响螺母与叠层表面的贴合质量, 因此本文利用IFM-G4表面质量测量仪对安装孔出口处的最大凸瘤高度进行测量。

3 结果与讨论3.1 安装阻力3.1.1 干涉量对安装阻力的影响

图 3为不同干涉量下安装阻力实验结果对比图。由图可知, 安装阻力可分为2个阶段:阶段Ⅰ克服公式(2) 中所述剪切阻力F_Z, 螺栓光杆部分与孔接触, 安装孔壁入口处材料发生弹塑性变形, 安装阻力快速上升, 干涉量越大安装阻力上升越明显; 阶段Ⅱ主要克服公式(2) 中所述摩擦阻力F_R, 螺栓开始与孔壁完全接触, 螺栓对孔壁挤压产生滑动摩擦力, 随着接触面积的增大, 摩擦阻力不断增加, 干涉量越大安装阻力增长率越高, 最终峰值越大。需要注意的是, 由于应力波在测量过程中不断在叠层板之间反射叠加, 从而引起连接叠层板之间的振动, 试验值呈波动上升。此外, 对比应力波安装和参考文献[12]静态安装下安装阻力最大值(如表 3所示), 表中F_s为M8钛合金高锁螺栓叠层板厚度为10 mm的静态安装阻力值, F_d为应力波加载下叠层板厚度为29 mm安装阻力值。由表可见, 即使动态加载夹层厚度接近静态加载3倍, 安装阻力依然明显小于静态安装阻力。

3.1.2 加载速度对安装阻力的影响

加载速度直接影响紧固件安装质量, 本试验通过调整加载电压控制加载速度, 电压越高对应加载速度越大。由于干涉量过高容易引起低加载速度下单次安装失败, 本试验仅对干涉量1%钛合金高锁螺栓进行动态安装。如图 4所示:不同电压下, 安装阻力依然呈现2个阶段, 先跳跃上升, 然后随安装时间波浪形增加; 700 V、750 V、800 V下安装阻力最大值分别为4.72 kN、4.32 kN、4.01 kN。随着加载速度升高, 螺栓杆动态效应和孔壁软化效应越明显, 最大安装阻力呈现小幅度下降。然而, 安装速度越大, 紧固件安装完成时惯性碰撞越剧烈, 例如800 V加载时瞬间碰撞力最大值达到58.62 kN, 极易引起高锁螺栓钉头损伤。因此, 在满足安装要求前提下, 实际操作中应尽量选用较低加载速度进行紧固件安装, 以避免紧固件损伤。

3.1.3 安装次数对安装阻力的影响

工程实际中, 由于干涉量较高和夹层较厚等原因导致安装阻力过大, 有时紧固件无法1次安装到位, 需要2次甚至多次安装。试验对高干涉量2%下钛合金高锁螺栓1次安装和2次安装的安装阻力进行了研究。

图 5为1次安装和首次安装70%后再次安装的安装阻力试验结果对比图。试验结果表明, 多次安装阻力比1次安装明显增大, 初始安装阻力明显上升, 其最大安装阻力试验值较1次安装高出73.4%。这主要由于安装次数之间存在时间间隔, 孔壁材料发生冷作硬化, 螺栓杆与安装孔壁接触面粘着效应增加, 使得接触面凹凸不平、润滑油流失严重, 接触面摩擦因数变大, 再次安装时需要大幅度提高加载幅值以驱动紧固件安装。工程实践中亦发现此现象, 当1次安装失败后, 紧固件再次安装难度明显增加, 甚至最终无法安装。此外, 即使紧固件被再次安装成功, 多次安装更易引起孔壁划伤, 孔壁出口处材料被严重挤出, 工程应用中因避免使用。

3.2 凸瘤3.2.1 干涉量对凸瘤的影响

图 6为不同干涉量下安装孔出口处凸瘤及最大高度:干涉量越大, 孔壁材料塑性变形越明显, 材料挤出量越多, 最大凸瘤高度随干涉量增大而增大; 干涉量为2%时, 凸瘤高度最大值达到0.07 mm, 但明显低于姜杰凤^[13]静态安装2%下凸瘤高度0.18 mm, 说明动态安装较静态安装可有效降低凸瘤高度。

3.2.2 加载速度对凸瘤的影响

图 7为不同加载速度下安装孔出口处最大凸瘤高度。由于高电压安装过程接触表面产生大量的热量, 同时滑动速度升高, 大量的安装热来不及向内部扩散, 因而导致安装表面温度集聚升高, 表层材料发生局部热软化。加载速度越高, 软化效应越明显, 孔壁材料挤出量越多, 凸瘤高度越大。

3.2.3 安装次数对凸瘤的影响

多次安装易造成紧固件表面润滑层的破坏, 摩擦因数增大, 增加安装孔壁表面剪切损伤, 孔壁材料随着安装方向的流动性增多, 形成较高凸瘤。对干涉量2%下的1次安装和多次安装凸瘤进行测量, 多次安装和1次安装的最大凸瘤高度分别为0.12 mm和0.07 mm, 多次安装下最大凸瘤高度达到了1次安装的1.57倍。

3.2.4 摩擦因数对凸瘤的影响

安装接触面摩擦因数对最大凸瘤高度具有重要影响, 试验中摩擦因数的影响因素复杂, 难以定量研究。由于低干涉量凸瘤影响较小, 本文利用ABAQUS/Explicit分析模块建立1.5%和2%钛合金高锁螺栓厚夹层结构应力波安装模型, 对摩擦因数μ=0.05、0.10和0.15进行研究。为了提高运算效率, 取试件的1/4进行建模。采用具有增强沙漏控制的三维8节点线性减缩积分单元C3D8RT划分网格。材料性能参数如表 4所示^[18]。

模拟结果如图 8所示:随着干涉量的增大, 凸瘤集中区域由孔边逐渐向外扩展, 最大凸瘤高度急剧增大, 模拟与试验结果较吻合, 验证了模型的正确性; 1.5%干涉量时, 摩擦因数增大, 安装孔出口呈现凸瘤, 凸瘤高度缓慢增加; 2%干涉量时, 凸瘤区域扩展明显, 凸瘤高度对摩擦因数十分敏感, μ由0.05增加到0.1, 最大凸瘤高度由0.08 mm急剧增加到0.12 mm, 增长近40%;μ由0.1增加到0.15, 最大凸瘤高度由0.12 mm急剧增加到0.17 mm, 增长43%。因此, 1.5%干涉量以下, 建议摩擦因数0.10~0.15, 以获得较好的经济性和实用性, 高干涉量时(如2%), 建议摩擦因数0.05~0.10以降低最大凸瘤高度。

4 结论

1) 本文对基于应力波加载的干涉配合紧固件安装过程进行了理论分析, 针对M8钛合金高锁螺栓进行了应力波动态安装工艺试验, 研究了干涉量、加载速度和安装次数对安装阻力、凸瘤的影响。

2) 应力波高速动态安装时, 安装阻力对干涉量敏感; 干涉量1%、1.5%和2%下安装阻力最大值分别为3.92 kN、5.64 kN、6.11 kN, 明显小于同等条件下准静态安装阻力。

3) 多次安装引起孔壁硬化, 螺栓杆润滑层破坏, 要求更高的安装驱动幅值, 安装阻力较一次安装高出73.4%;加载速度对安装阻力影响较小, 但较高的加载速度容易引起螺栓头损伤。

4) 最大凸瘤高度随干涉量、加载速度线性增加而增加; 低干涉量下, 摩擦因数对最大凸瘤高度无明显影响, 但高干涉量下, 摩擦因数对最大凸瘤高度影响显著; 安装次数对凸瘤影响显著, 多次安装下最大凸瘤高度是1次安装的1.57倍。