CN112977870A - 一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，属于飞机部件装配工具设计技术领域，通过构建飞机闭角区的几何模型，对斜铆卡进行宏观力学分析，选取斜铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ作为自变量，研究气源锤击功设为W，铆卡质量设为m，作用时间设为t与自变量的关系，在自变量的定义域范围内，最后确定自变量的取值，作为斜铆卡设计的参考尺寸，有效解决斜铆卡由于设计不足造成的疲劳断裂隐患的问题，保证装配质量，提升装配效率，降低装配成本。

Description

一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法

技术领域

本发明涉及飞机部件装配工具设计技术领域，具体涉及一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法。

背景技术

飞机部件装配以机体结构为研究对象，将骨架零件和外覆件连接成具备飞机气动外形的部段件。在飞机装配机械连接技术中，铆接以其操作简单、连接可靠、检查方便、排故容易、能够适应比较复杂和不够开敞的空间结构等特点被广泛采用。飞机结构中空间开敞性较差的典型区域是结构的闭角区（特指结构上两相邻边之间的夹角小于90°的区域）。受到空间结构的干涉限制，铆枪无法垂直于结构表面施铆，只能适应闭角区的角度变化，斜向施铆。此时，常规铆卡不再适用，需要设计特殊的斜铆卡以适应闭角区的铆接工作。

现有的斜铆卡仅仅是在常规铆卡的基础上按照闭角区的角度对铆卡进行斜截处理，没有从载荷的角度对铆卡的进行受力分析和结构设计。事实上，与常规铆卡不同，斜铆卡除受到轴向铆接压缩应力的作用外，还会承受在斜面径向载荷作用下产生的弯曲循环应力，在弯曲循环拉应力的作用下，斜铆卡很容易发生疲劳断裂。斜铆卡断裂后直接影响铆钉的成形质量，崩出的铆卡将结构零件的表层划伤，影响表面质量，情况严重将导致零件甚至部件报废，既耽误装配进度，又增加制造成本。

而现有技术中，没有提供一种较好的斜铆卡的设计方法，可以避免疲劳断裂或者尽量减小这种应力对斜铆卡的影响的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，可以有效解决斜铆卡由于设计不足造成的疲劳断裂隐患的问题，保证装配质量，提升装配效率，降低装配成本。

本发明通过下述技术方案实现：

一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，包括以下步骤：

A. 根据飞机闭角区的结构特征，构建几何模型，所述几何模型中的几何图元包括隔框、蒙皮、铆钉、斜铆卡以及铆枪，并选取几何图元中的相关物理特征作为自变量，所述自变量包括斜铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ；

B.根据步骤A中的几何模型的结构特征、结合斜铆卡使用时的可操作性以及操作工作台界面的摩擦系数，确定斜铆卡的各物理特征变量的取值范围为：

；

C.对斜铆卡进行受力分析，得到斜铆卡所受合应力σ随各自变量的变化特征，可判断斜铆卡的失效危险点在其根部处圆角区的位置，再对斜铆卡失效危险点进行应力分析，结合装配施铆情况，将气源锤击功设为W，铆卡质量设为m，作用时间设为t，所述作用时间t在实际操作过程中可视为常数，得出斜铆卡所受合应力随各自变量的变化满足以下关系：

；

D.再根据步骤C中，斜铆卡所受合应力随各自变量的增减性特点，得到斜铆卡所受合应力σ≤0时，对应的自变量（α、l、d、r、μ）的值，可根据施铆环境微调自变量（α、l、d、r、μ）的值，得到微调后的自变量（α ₃ 、l ₃ 、d ₃ 、r ₃ 、μ ₃ ），使微调后的自变量（α ₃ 、l ₃ 、d ₃ 、r ₃ 、μ ₃ ）满足σ ₃ ≤0，且在步骤B的给出的自变量定义域范围内。

进一步地，所述步骤D中，可根据斜铆卡所受合应力随各自变量的增减性特点，可求得斜铆卡所受合应力最小时对应的自变量值为（α ₀ 、l ₀ 、d ₀ 、r ₀ 、μ ₀ ），可根据施铆环境微调自变量（α ₀ 、l ₀ 、d ₀ 、r ₀ 、μ ₀ ），使微调后的自变量（α ₀ ′、l ₀ ′、d ₀ ′、r ₀ ′、μ ₀ ′）满足σ _min≤0，且在步骤B的给出的自变量定义域范围内。

进一步地，所述步骤C中，得出斜铆卡所受合应力随各自变量的变化特点包括以下步骤：

A1. 对斜铆卡进行宏观受力分析，根据铆卡承受的载荷，建立数学模型，F _f 为斜铆卡端面的摩擦力、F _n 为斜铆卡端面的正压力，F ₁ 、F ₂ 为斜铆卡承受的轴向分力，F ₃ 、F ₄ 为斜铆卡承受的径向分力，满足以下关系：

；

B1. 根据铆卡的宏观受力形式、应力集中效应以及实际失效形式，判断斜铆卡的失效危险点在其根部处圆角区的位置，再对斜铆卡失效危险点进行应力分析，所述F ₁ 、F ₂ 产生压缩应力分别为σ ₁ 、σ ₂ ，所述F ₃ 、F ₄ 产生弯曲应力分别为σ ₃ 、σ ₄，满足以下关系：

；

C1. 将步骤B1的应力σ ₁ 、σ ₂ 、σ ₃ 、σ ₄ 进行叠加，得出斜铆卡失效危险点合应力σ与斜铆卡物理特征之间的关系满足：σ=f（α，l，d，r，μ）=σ ₁+σ ₂+σ ₃+σ ₄；

D1. 考虑实际的装配施铆情况，F _n 设为端面的等效正压力，由气源的功率决定，W设为气源锤击功，铆卡质量设为m，作用时间设为t，所述作用时间t在实际操作过程中可视为常数，等效正压力F _n 的关系满足：

；

E1. 结合步骤B1与步骤D1，得出斜铆卡失效危险点与铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ满足以下关系：

。

进一步地，所述步骤A1中，对斜铆卡进行受力分析建立数学模型时，将斜铆卡施铆过程视为一个准静态加载过程，根据铆卡承受的载荷，不考虑惯性力作用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

一、本发明中，提供了一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，为科学合理地设计斜铆卡提供指导思路，从设计源头防止斜铆卡疲劳断裂失效以及由此造成的次生损失。

二、本发明中，本方法首先对飞机结构中的闭角空间铆接进行建模，几何模型中的几何图元包括飞机闭角结构、铆钉、铆枪以及斜铆卡。然后根据斜铆卡的受力形式和失效形式，合理并巧妙的选取与斜铆卡相关的铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ的物理特征进行研究、分析，判断斜铆卡失效危险点，推导出危险点处应力状态随斜铆卡物理特性的变化关系。最后，给出最佳应力状态对应的斜铆卡物理特征，作为实际生产的控制依据。

三、本发明中，本方法可以有效解决斜铆卡由于设计不足造成的疲劳断裂隐患的问题，保证装配质量，提升装配效率，降低装配成本，在航空制造领域具有较为广阔的应用推广前景。

四、本发明中，根据本方法设计的斜铆卡，单个的斜铆卡能完成4000个以上铆钉的铆接，且不会产生疲劳断裂，最后因为斜铆卡端面磨损严重而停止使用，较之前的斜铆卡，仅能完成800个闭角区铆钉的铆接后就必须更换，斜铆卡使用寿命明显增长，降低成本。

五、本发明中，采用本技术方案中的设计方法，可尽可能的避免斜铆卡因疲劳断裂而失效，减少对产品的损伤，降低故障率，缩短装配周期，从而降低设备成本。

附图说明

图1为飞机闭角区的典型结构的几何模型。

图2是斜铆卡物理特征参数展示与力学分析模型。

图3是实施例2所提出的斜铆卡设计方法流程图。

其中，1、隔框；2、蒙皮；3、铆枪；4、斜铆卡；5、铆钉。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例以本公司中的某机型的飞机为研究对象，现需对飞机结构中空间开敞性较差的闭角区（一般将结构上两相邻边之间的夹角小于90°的区域称为闭角区）进行施铆操作，需先设计符合该施铆环境的斜铆卡。

本实施例提出一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，属于飞机部件装配工具设计技术领域，具体包括以下步骤：

A. 根据该飞机闭角区的结构特征，构建几何模型，所述几何模型中的几何图元包括隔框、蒙皮、铆钉、斜铆卡以及铆枪，参照图1，并选取几何图元中的相关物理特征作为自变量，所述自变量包括斜铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ；

B.根据步骤A中的几何模型的结构特征、结合斜铆卡使用时的可操作性以及操作工作台界面的摩擦系数，确定斜铆卡的各物理特征变量的取值范围为：

；

C.对斜铆卡进行受力分析，参考图2，得到斜铆卡所受合应力σ随各自变量的变化特征，可判断斜铆卡的失效危险点在其根部处圆角区的位置，再对斜铆卡失效危险点进行应力分析，结合装配施铆情况，将气源锤击功设为W，斜铆卡质量设为m，作用时间设为t，所述气源锤击功W、斜铆卡质量m以及作用时间t在实际操作过程中均可控，可视为常数，以下表1中的常用参数数值为例：

表1：

代入关系式：

；

D.再根据步骤C中，斜铆卡所受合应力随各自变量的增减性特点，所述自变量在步骤B的取值范围内时，求得斜铆卡所受合应力最小时对应的自变量值为（α ₀ ，l ₀ ，d ₀ ，r ₀ ，μ ₀ ）=（80º，15，15，4，0.3），此时斜铆卡所受合应力：

，

此时σ=-5.35MPa，为负值，根据疲劳力学基础理论，金属材料在循环压应力的作用下不会萌生疲劳初始裂纹以及发生内部缺陷扩展现象，可有效提高材料的服役性能。

本发明所提供的方法可以有效解决斜铆卡由于设计不足造成的疲劳断裂隐患，保证装配质量，提升装配效率，降低装配成本，在航空制造领域具有较为广阔的应用推广前景。

本实施例中，求得的斜铆卡所受合应力σ _min对应的自变量值为（α ₀ 、l ₀ 、d ₀ 、r ₀ 、μ ₀ ）是较优的设计数值，且σ _min也为负值，为较为理想的设计方案。设计人也可以根据施铆现场环境，对求得的自变量进行调整，也满足更多的施铆环境，但需注意的是，微调后的自变量值（α ₀ ′、l ₀ ′、d ₀ ′、r ₀ ′、μ ₀ ′）需满足σ _min≤0，且在步骤B的给出的自变量定义域范围：

之内。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，对斜铆卡进一步进行研究，详细说明本技术方案的设计过程，为斜铆卡的设计、制造的尺寸提供依据，也未该技术的进一步研究提供一定依据，也为该类工具的制造提供一种新的设计方案供参考。

一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，属于飞机部件装配工具设计技术领域，参照图3，具体包括以下步骤：

（1）、根据飞机闭角区的结构特征，构建几何模型，所述几何模型中的几何图元包括隔框、蒙皮、铆钉、斜铆卡以及铆枪，并选取几何图元中的相关物理特征作为自变量，所述自变量包括斜铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ；

（2）、根据步骤A中的几何模型的结构特征、结合斜铆卡使用时的可操作性以及操作工作台界面的摩擦系数，确定斜铆卡的各物理特征变量的取值范围为，一般可根据操作经验得到：

；

（3）、对斜铆卡进行宏观受力分析，斜铆卡施铆过程是一个准静态加载过程，根据铆卡承受的载荷，在不考虑惯性力的情况下建立数学模型，F _f 为斜铆卡端面的摩擦力、F _n 为斜铆卡端面的正压力，F ₁ 是斜铆卡承受F _n 的轴向分力、F ₂ 为斜铆卡承受的摩擦力F _f 的轴向分力，F ₃ 是斜铆卡承受F _n 的径向分力、F ₄ 为斜铆卡承受的摩擦力F _f 的径向分力，满足以下关系：

；

（4）、根据铆卡的宏观受力形式、应力集中效应以及实际失效形式，判断斜铆卡的失效危险点在其根部处圆角区的位置，再对斜铆卡失效危险点进行应力分析，所述F ₁ 、F ₂ 产生压缩应力分别为σ ₁ 、σ ₂ ，所述F ₃ 、F ₄ 产生弯曲应力分别为σ ₃ 、σ ₄，满足以下关系：

；

（5）、采用应力叠加原理，将步骤（4）中的应力σ ₁、σ ₂、σ ₃、σ ₄进行求和，得出斜铆卡失效危险点合应力σ与斜铆卡物理特征之间的关系满足：σ=f（α，l，d，r，μ）=（-σ ₁）+（-σ ₂）+σ ₃+（-σ ₄），即：

；

（6）、考虑实际的装配施铆情况，F _n 为斜铆卡端面的正压力，由气源的功率决定，W设为气源锤击功，斜铆卡质量设为m，作用时间设为t，所述作用时间t在实际操作过程中可视为常数，等效正压力F _n 的关系满足：

；

（7）、结合步骤（4）与步骤（5），得出斜铆卡失效危险点与铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及斜铆卡端面的摩擦系数μ满足以下关系：

；

（8）、再在步骤（2）给出的自变量定义域内求步骤（7）中得到的多元函数关系式的偏导数，判断合应力随各物理特征参数的增减变化趋势及对应的权重：

并在步骤（2）给出的自变量定义域内求解合应力σ的最小值，σ的最小值即为斜铆卡物理特征的最优解，即输出对应的物理特征值（α ₀ ，l ₀ ，d ₀ ，r ₀ ，μ ₀ ）作为斜铆卡设计、制造的尺寸依据。

以施铆过程中常用的气源锤击功W=3J，斜铆卡质量m=0.05Kg，作用时间t=0.001s为例，代入相应数据，对应的自变量值为σ _min=（α ₀ ，l ₀ ，d ₀ ，r ₀ ，μ ₀ ）=（80º，15，15，4，0.3），即该斜铆卡在该施铆环境下，该斜铆卡可设计成的倾斜角度80º，斜铆卡中心长度15mm，斜铆卡直径15mm，斜铆卡根部圆角半径5mm，以及铆卡端面的设计成摩擦系数为0.3的金属材料端面。

（9）验证：将步骤（8）得到的σ _min对应的自变量值代入步骤（7），可知该斜铆卡失效危险点的合应力为：

可见，应力为负值，根据疲劳力学基础理论，金属材料在循环压应力的作用下不会萌生疲劳初始裂纹以及发生内部缺陷扩展现象，可有效提高材料的服役性能。采用本设计方法设计的斜铆卡，能完成4000个以上铆钉的铆接，且不会产生疲劳断裂，最后是因为斜铆卡端面磨损严重而停止使用。

对比例1

本对比例是根据现有常用的斜铆卡，梳理物理特征参数及其对应的铆接常数值如下表2所示。

表2：

根据实施例2中步骤（7）中斜铆卡失效危险点处合应力的计算方法，得出σ的值为：

可见，该应力为正值，循环作用于危险点处，将造成斜铆卡的疲劳断裂，一般单个这样的铆卡能完成800个闭角区铆钉的铆接，就必须更换此铆卡。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A. 根据飞机闭角区的结构特征，构建几何模型，所述几何模型中的几何图元包括隔框、蒙皮、铆钉、斜铆卡以及铆枪，并选取几何图元中的相关物理特征作为自变量，所述自变量包括斜铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ；

B.根据步骤A中的几何模型的结构特征、结合斜铆卡使用时的可操作性以及操作工作台界面的摩擦系数，确定斜铆卡的各物理特征变量的取值范围为：

；

C.对斜铆卡进行受力分析，得到斜铆卡所受合应力σ随各自变量的变化特征，可判断斜铆卡的失效危险点在其根部处圆角区的位置，再对斜铆卡失效危险点进行应力分析，结合装配施铆情况，将气源锤击功设为W，铆卡质量设为m，作用时间设为t，所述作用时间t在实际操作过程中可视为常数，得出斜铆卡所受合应力随各自变量的变化满足以下关系：

；

D.再根据步骤C中，斜铆卡所受合应力随各自变量的增减性特点，得到斜铆卡所受合应力σ≤0时，对应的自变量（α、l、d、r、μ）的值，可根据施铆环境微调自变量（α、l、d、r、μ）的值，得到微调后的自变量（α ₃ 、l ₃ 、d ₃ 、r ₃ 、μ ₃ ），使微调后的自变量（α ₃ 、l ₃ 、d ₃ 、r ₃ 、μ ₃ ）满足σ ₃ ≤0，且在步骤B的给出的自变量定义域范围内。

2.根据权利要求1所述的一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，其特征在于：所述步骤D中，可根据斜铆卡所受合应力随各自变量的增减性特点，可求得斜铆卡所受合应力最小时对应的自变量值为（α ₀ 、l ₀ 、d ₀ 、r ₀ 、μ ₀ ），可根据施铆环境微调自变量（α ₀ 、l ₀ 、d ₀ 、r ₀ 、μ ₀ ），使微调后的自变量（α ₀ ′、l ₀ ′、d ₀ ′、r ₀ ′、μ ₀ ′）满足σ _min≤0，且在步骤B的给出的自变量定义域范围内。

3.根据权利要求2所述的一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，其特征在于，所述步骤C中，得出斜铆卡所受合应力随各自变量的变化特点包括以下步骤：

A1. 对斜铆卡进行宏观受力分析，根据铆卡承受的载荷，建立数学模型，F _f 为斜铆卡端面的摩擦力、F _n 为斜铆卡端面的正压力，F ₁ 是斜铆卡承受F _n 的轴向分力、F ₂ 为斜铆卡承受的摩擦力F _f 的轴向分力，F ₃ 是斜铆卡承受F _n 的径向分力、F ₄ 为斜铆卡承受的摩擦力F _f 的径向分力，满足以下关系：

；

B1. 根据铆卡的宏观受力形式、应力集中效应以及实际失效形式，判断斜铆卡的失效危险点在其根部处圆角区的位置，再对斜铆卡失效危险点进行应力分析，所述F ₁ 、F ₂ 产生压缩应力分别为σ ₁ 、σ ₂ ，所述F ₃ 、F ₄ 产生弯曲应力分别为σ ₃ 、σ ₄，满足以下关系：

；

C1. 将步骤B1的应力σ ₁ 、σ ₂ 、σ ₃ 、σ ₄ 进行叠加，得出斜铆卡失效危险点合应力σ与斜铆卡物理特征之间的关系满足：σ=f（α,l,d,r,μ）=（-σ ₁）+（-σ ₂）+σ ₃+（-σ ₄）；

D1. 考虑实际的装配施铆情况，F _n 为斜铆卡端面的正压力，由气源的功率决定，W设为气源锤击功，铆卡质量设为m，作用时间设为t，所述作用时间t在实际操作过程中可视为常数，等效正压力F _n 的关系满足：

；

E1. 结合步骤B1与步骤D1，得出斜铆卡失效危险点与斜铆卡倾斜角度α，斜铆卡中心长度l，斜铆卡直径d，斜铆卡根部圆角半径r以及铆卡端面的摩擦系数μ满足以下关系：

。

4.根据权利要求3所述的一种飞机部件装配闭角区铆接斜铆卡设计方法，其特征在于：所述步骤A1中，对斜铆卡进行受力分析建立数学模型时，将斜铆卡施铆过程视为一个准静态加载过程，根据铆卡承受的载荷，不考虑惯性力作用。

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