CN112077584B - 复合材料构件螺栓连接的装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料构件螺栓连接的装配方法，包括以下步骤：步骤一、根据复合材料构件的类型以及螺栓的类型和尺寸，确定装配所需的工艺参数；步骤二、将待装配的复合材料构件在型架上完成定位与夹紧，然后在预设连接位置进行钻孔，并安装各种检测设备；步骤三、启动电动拧紧轴拧紧螺栓，并在螺栓拧紧过程中始终实时测量各种工艺参数，根据工艺参数控制装配过程。本发明可以提高复合材料构件螺栓连接时的装配质量，并避免复合材料构件装配时出现损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料构件螺栓连接的装配方法，属于复合材料装配技术领域。
背景技术
复合材料凭借其优异的力学性能，在飞机结构中得到了广泛的应用。相比于金属材料，复合材料的比强度和比模量较高，抗疲劳性能与破损安全性较好。因此复合材料在各型飞机中的使用比例越来越高(例如：波音B787机型的复合材料用量达到50％，空客A350机型中复合材料用量达到52％)，复合材料的使用比例已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。
复合材料构件装配时，大多采用螺栓连接。相比于铆接、胶结等连接方法，螺栓连接质量更为稳定可靠，可以承受更大的载荷，装配质量易于检查，且便于重复拆装。因此螺栓连接大量用于复合材料结构的装配，尤其是承受较大载荷的关键区域和重要接头。螺栓连接件在装配时，通常有手动拧紧螺栓和电动拧紧轴安装螺栓两种操作模式。但是，由于手动拧紧螺栓的工艺分散性大，生产效率较低，因此装配时更多使用电动拧紧轴安装螺栓。电动拧紧轴可以精确控制扭矩T，转速n和转角θ，向螺栓中输入扭矩后即获得一定大小的预紧力，实现装配结构的可靠连接，而预紧力是衡量螺栓连接质量的重要参数之一。
传统的螺栓连接过程中，通常通过监测拧紧扭矩的大小判断螺栓连接的合格与否，即达到一定扭矩就认为合格。但在复合材料构件连接时，这一方法暴露出较大的不足。复合材料为各向异性材料，层间强度较低，材料脆性较大，螺栓连接时由于工艺参数设置不当常会产生局部损伤或装配应力过大的情况，削弱结构承载能力，而此时的扭矩可能还处在合格的范围内，容易造成对装配质量的错误判断。当拧紧完成后由于接触面微小凸起的嵌入、密封材料的蠕变现象，还会在短时间内造成因此预紧力的松弛。因此，在装配过程中，需要针对复合材料构件螺栓连接过程进行监测与控制。
发明内容
本发明要解决技术问题是：提出一种可以提高复合材料构件螺栓连接时的装配质量、避免复合材料构件装配时产生损伤的装配方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种复合材料构件螺栓连接的装配方法，包括以下步骤：
步骤一、根据复合材料构件的类型以及螺栓的类型和尺寸，确定装配所需的工艺参数，所述工艺参数包括螺栓预紧力F的预期区间F′＝[F1,F2]、螺栓预紧力目标值Ft、扭矩系数k的预期区间k′＝[k1,k2]、表面损伤因子f的允许最大值fmax、内部损伤状态s的允许最大值smax，其中0.8×F2≤Ft≤0.9×F2；
同时，确定电动拧紧轴的初始转速nstart和终止转速nend；
步骤二、将待装配的复合材料连接件在型架上完成定位与夹紧，然后在预设连接位置进行钻孔；
在连接所需的螺栓末端贴上压电陶瓷片，安装电动拧紧轴，并在电动拧紧轴上安装超声波传感器用于实时测量螺栓预紧力F；
在复合材料构件表面制作散斑，并搭建3D-DIC测量***用于实时测量复合材料构件的表面应变场，以得到表面损伤因子f；
搭建超声波无损检测装置用于实时测量内部损伤状态s；
步骤三、启动电动拧紧轴拧紧螺栓，并在拧紧过程中始终实时测量得到的螺栓预紧力F；
在空拧阶段，螺栓预紧力F＝0，此时扭矩系数k＝0，控制电动拧紧轴的转速为nstart；
在空拧阶段结束后，当检测到螺栓预紧力F大于0时，暂停拧紧；然后控制电动拧紧轴的转速为nend后继续拧紧工作，此时，根据电动拧紧轴的实时扭矩T和螺栓的直径d，计算得到实时扭矩系数k＝T/(F·d)；同时，实时检测表面损伤因子f和内部损伤状态s；
根据实时得到的螺栓预紧力F、扭矩系数k、表面损伤因子f和内部损伤状态s，进行如下控制：
1)若螺栓预紧力F达到螺栓预紧力目标值Ft，则复合材料构件的装配过程正常结束；
2)若扭矩系数k超出预期区间k′，当k小于k1时，则减小电动拧紧轴的转速n和实时扭矩T，当k大于k2时，则增大电动拧紧轴的转速n和实时扭矩T；
3)若复合材料构件的表面损伤因子f达到允许最大值fmax，则复合材料构件的表面磨损较为严重，终止复合材料构件的装配过程；
4)若复合材料构件的内部损伤状态s达到允许最大值smax，则复合材料构件的内部损伤较为严重，终止复合材料构件的装配过程。
复合材料是一种各向异性非均质材料，其性能与金属材料相比差异较大。复合材料层压板面内强度较高，但层间强度较低，在装配和服役过程中容易出现分层损伤，导致结构承载能力的降低。螺栓连接时，如果连接工艺参数设置不当，极易造成层间应力过大甚至分层损伤，与螺栓头直接接触的复合材料表层也极易造成表面磨损，影响结构安全。因此，评价复合材料结构螺栓连接质量，需要分析以下四个物理量：
1)预紧力F
电动拧紧轴向螺栓输入的扭矩T主要转化为三个部分，包括螺栓头与被连接件表面相对滑动所消耗的扭矩Tb，螺纹间摩擦所消耗的扭矩Tth及螺栓杆拉伸所消耗的扭矩T1，其中，T1为产生预紧力的有效分量，一般占输入扭矩T的10％左右。预紧力F对复合材料装配结构力学性能有较大影响，研究表明，在一定范围内增大预紧力F可以提高接头的拉伸与疲劳力学性能，但超过这一范围后，继续增加预紧力F可能导致装配时就出现较为明显的损伤，削弱连接结构的力学性能。当拧紧完成后，连接结构的松弛现象也可以直接通过预紧力的变化进行评估，因此预紧力F是衡量螺栓连接的关键物理量之一。
当螺栓预紧力F小于预设区间F′＝[F1,F2]时，控制转速n为较高值，当螺栓预紧力F接近预定区间时，减小转速，当螺栓预紧力即将超过预定区间时，将转速n减为0，即停止向螺栓输入扭矩T。F1为根据结构承力情况设计的最小预紧力(如密封结构，为了保证密封性能所需的最小夹紧力等)，F2为易发生损伤的最大预紧力，通常当预紧力F超过F2，则必然损坏复合材料构件。F1、F2均可通过计算获得(此为现有技术，可参考相关文献)，或取经验值。
2)扭矩系数k
传统经验公式中，扭矩系数k＝T/(F·d)，其中T为拧紧轴输入扭矩，F为螺栓预紧力，d为螺栓的直径。扭矩系数k主要反应螺栓连接结构中摩擦系数的大小及其变化规律，包括支承面摩擦系数与螺纹间摩擦系数。当摩擦系数较低时，扭矩系数k也较低，输入较小的扭矩T即可得到所需的预紧力F；当摩擦系数较高时，扭矩系数k也较高，必须输入较大的扭矩T才能得到所需的预紧力F。扭矩系数k受多种因素的影响，包括润滑方式、镀层性质、装配时的温度和湿度等。扭矩系数k直接反映F-T曲线的斜率，即反映连接***的摩擦特性，这也是影响装配质量的物理量之一。
螺栓拧紧时，根据螺栓的拧紧规范，扭矩系数k必须保持在一定区间内k′＝[k1,k2]，以保证连接***各部分摩擦系数保持在合理区间内，k1、k2为经验值。当k小于预定区间时，说明此时摩擦系数较小，需要减小转速n，并控制扭矩T不要过大；当k大于预定区间时，说明此时摩擦系数较大，需要增大转速n，并保证扭矩T足够大，以获得要求的预紧力。
3)表面损伤因子f
复合材料构件进行螺栓连接时，可以通过3D-DIC全场应变测量***得到构件表面的应变场εij，将各应变分量带入以其应变为判据的失效准则，可以得到构件的损伤因子f。当f＝0时，表明构件不受力；当0<f<1时，表明构件受力但未产生损伤；当f＝1时，表明该区域已发生损伤，失去了大部分承载能力。目前的测量技术仅能获得复合材料表层区域的应变值并计算其损伤因子f。复合材料表层受力情况复杂，受到的螺栓头挤压和摩擦作用较强，在复合材料层压板中容易最先出现损伤。因此监测复合材料表面的损伤因子f，可以推测复合材料的应力与损伤状态，因此表面损伤因子f是衡量装配质量的物理量之一。
首先需要确定表面损伤因子的最大值fmax，拧紧过程中如果表面损伤因子f达到最大值，则控制电动拧紧轴停止转动，转速n＝0，此时扭矩T不再增加。
4)内部损伤状态s
复合材料构件成型过程中内部会产生各种缺陷，包括气孔、贫胶、富胶和纤维屈曲等。螺栓连接时，这些内部缺陷极易在预紧力作用下发展成为内部损伤，影响结构性能。螺栓连接时可以使用无损检测设备(包括超声波无损检测，X光无损检测等)实时监测构件内部损伤状态s，获得损伤区域和损伤面积等信息，评估螺栓连接质量。
根据复合材料内部成型缺陷及使用性能要求，确定装配时允许的内部最大损伤状态smax，拧紧过程中如果内部损伤状态s达到最大值，则控制电动拧紧轴停止转动，转速n＝0，此时扭矩T不再增加。
综上可知，评估复合材料构件装配质量(螺栓连接质量)可以从以上四个物理量(以上四个物理量的测量方法和测量设备均为现有技术，可参考相关文献，不再赘述)入手，包括螺栓预紧力F、扭矩系数k、表面损伤因子f和内部损伤状态s，在得到这四个物理量后，通过计算与判断，再控制电动拧紧轴的扭矩T、转速n等参数，从而可以控制复合材料构件的装配质量(螺栓连接质量)。本发明正是通过监测多个参数，对复合材料构件的装配质量进行控制，与现有技术相比，避免了由于工艺参数设置不当常会产生局部损伤或装配应力过大的情况，因此防止了装配后的复合材料构件结构承载能力削弱，提高了复合材料构件螺栓连接时的装配质量。
另外，申请人发现，假设电动拧紧轴在达到合适的预紧力F时停止工作，短时间内螺栓预紧力会有较明显的损失，趋于稳定后的损失量为ΔF(可参考以10min为测量时限)。而后进行二次拧紧，并经过二次拧紧的松弛之后，就可以恰好可得到稳定且合适的预紧力F。因此，上述技术方案的改进是：步骤三执行完成后，若复合材料构件的装配过程正常结束，则进入螺栓预紧力的松弛测量阶段，此时超声波传感器持续监测螺栓预紧力的变化，当螺栓预紧力逐渐减小并稳定后，得到螺栓预紧力的变化值ΔF；电动拧紧轴再次扭紧螺栓，当螺栓预紧力F达到(Ft+ΔF)或F2时，电动拧紧轴停止工作，第二次拧紧结束。如前所述，螺栓预紧力F需始终小于F2。
附图说明
图1是本发明实施例中测量各工艺参数的***示意图。
附图标记：电动拧紧轴1，螺栓2，复合材料构件3，超声波传感器4，3D-DIC测量***5，超声波无损检测装置6，控制器7，两层复合材料构件之间的复杂界面8。
具体实施方式
实施例
本实施例选用碳纤维环氧树脂复合材料层压板977-2作为待装配的复合材料构件，单层厚度为0.188mm，对称铺叠20层，总厚度达到3.76mm。螺栓选用合金钢螺栓及自锁螺母，材料为A286，公称直径6.35mm。电动拧紧轴可提供扭矩范围为0-220Nm，可以满足该螺栓拧紧时所需的扭矩。电动拧紧轴(可以控制和记录扭矩T，转速n和转角θ)，同时使用3D-DIC测量***测量复合材料构件的表面应变场，使用超声波无损检测装置测量复合材料构件内部损伤(以得到复合材料内部损伤状态s)。
本实施例的复合材料构件螺栓连接的装配方法，包括以下步骤：
步骤一、根据复合材料构件的类型以及螺栓的类型和尺寸，确定装配所需的工艺参数，所述工艺参数包括螺栓预紧力F的预期区间F′＝[F1,F2]、螺栓预紧力目标值Ft、扭矩系数k的预期区间k′＝[k1,k2]、表面损伤因子f的允许最大值fmax、内部损伤状态s的允许最大值smax；
同时，确定电动拧紧轴的初始转速nstart和终止转速nend。
螺栓预紧力F的预期区间为可接受的预紧力范围，小于F1螺栓连接容易发生松动失效，大于F2则易发生损伤，考虑到后续的松弛问题，一般自松弛量不超过预紧力F的90％，所以螺栓预紧力目标值Ft可取0.8–0.9F2。
本实施例中预紧力的预期区间为F′＝[12kN,16kN]，Ft＝0.85F2＝13.6kN拧紧所需目标预紧力一般根据复材板件的承力能力、拉伸疲劳性能和结构受载需求来确定，在本案例中根据相关装配要求，根据经验，预紧力需要保证在[12kN,16kN]以内，超过16kN后复材板易产生损伤问题。
扭矩系数k的预期区间为拧紧过程中k需要保证的稳定范围，在区间以外时需要调整转速等将k值调回区间内保证拧紧过程的稳定。本实施例中扭矩系数k的预期区间为k′＝[0.15,0.25]，扭矩系数值与紧固件(螺栓、螺母)相关，该数值主要受到紧固件表面粗糙度、加工精度、弹性模量、屈服强度等的影响，数值上下浮动，一般需要通过提前针对紧固件进行拧紧实验来确定扭矩系数的波动范围。在本例中，根据螺栓的拧紧规范，扭矩系数k′取值范围在[0.15,0.25]之间。
本实施例中表面损伤因子f允许的最大值为fmax＝0.8，此为经验值，也可以通过有限元分析事先得到。理论情况下损伤因子0<f<1，此时复材表面不产生损伤，通常需要为表面损伤因子设定一定的安全裕度，确保复材表面不发生损伤。
本实施例中内部损伤状态允许的最大值为dmax＝0.1mm2，此为经验值，也可以通过有限元分析预先得到。复合材料成型时难免会存在一些缺陷，这些缺陷在拧紧的过程中受到预紧力的挤压，容易发生扩展。为防止缺陷扩大影响到复合材料整体的使用性能，本案例设定缺陷面积大小不得超过0.1mm2。
本实施例中电动拧紧轴的初始转速为nstart＝100r/min，终止转速为nend＝30r/min，这也是经验值，即设定在空拧时的初始转速为100r/min，当紧固件与被连接贴合产生预紧力以后转速降为终止转速30r/min。电动拧紧轴的转速设置一般为前快、后慢。前快可以缩短拧紧时间，提高拧紧效率；后慢是为了减小拧紧转动时产生的转动惯量，避免产生预紧力超过设定值的现象。
步骤二、将待装配的复合材料连接件在型架上完成定位与夹紧，然后在预设连接位置进行钻孔。
如图1所示，首先将待装配的复合材料连接件在型架上完成定位与夹紧，然后在预设的紧固件连接位置进行钻孔，准备好连接所需的紧固件螺栓螺母，手动将螺栓螺母穿过孔位进行手工简单拧紧，而后将电动拧紧轴移动至孔位的正上方，完成拧紧轴对于紧固件的定位。在连接所需的螺栓末端贴上压电陶瓷片，安装电动拧紧轴，并在电动拧紧轴上安装超声波传感器用于实时测量螺栓预紧力F，压电陶瓷片和超声波传感器用于测量螺栓预紧力为现有技术；
在复合材料构件表面制作散斑，并搭建3D-DIC测量***用于实时测量复合材料构件表面应变场，以得到表面损伤因子f，通过复合材料构件表面应变场计算表面损伤因子f为现有技术，不再赘述；
搭建超声波无损检测装置用于实时测量内部损伤状态s，超声波无损检测装置检测到数据后，通过后续计算就能得到内部损伤状态s，内部损伤状态可以认为是最大的连续损伤面积,这也是现有技术，可参考相关文献。
步骤三、启动电动拧紧轴拧紧螺栓，并在拧紧过程中始终实时测量得到的螺栓预紧力F；
在空拧阶段，螺栓预紧力F＝0，此时扭矩系数k＝0，控制电动拧紧轴的转速为nstart＝100r/min；
在空拧阶段结束后，当检测到螺栓预紧力F达到预期区间F′的下限12N时，控制电动拧紧轴的转速为30r/min，并根据电动拧紧轴的实时扭矩T和螺栓的直径d，计算得到实时扭矩系数k＝T/(F·d)；同时，实时检测表面损伤因子f和内部损伤状态s；
根据实时得到的螺栓预紧力F、扭矩系数k、表面损伤因子f和内部损伤状态s，进行如下控制：
1)若螺栓预紧力F达到螺栓预紧力目标值Ft＝13.6kN，则复合材料构件的装配过程正常结束；
2)若扭矩系数k超出预期区间k′＝[0.15,0.25]，则复合材料构件的装配过程不正常，需要调整扭矩系数k；当k小于k1时，说明此时摩擦系数较小，则减小电动拧紧轴的转速n(使其小于30r/min)和实时扭矩T，当k大于k2时，则增大电动拧紧轴的转速n(使其大于30r/min)和实时扭矩T；
3)若复合材料构件的表面损伤因子f达到允许最大值fmax＝0.8，则复合材料构件的表面磨损较为严重，终止复合材料构件的装配过程；
4)若复合材料构件的内部损伤状态s达到允许最大值smax＝0.1mm2，则复合材料构件的内部损伤较为严重，终止复合材料构件的装配过程。
结束拧紧后，即可撤去电动拧紧轴的各测量装置。
本实施例通过实时监测四个关键物理量(预紧力F、扭矩系数k、表面损伤因子f和内部损伤状态s)，根据这四个物理量进行判断，从而控制电动拧紧轴的扭矩T、转速n、转角θ，进而控制装配质量。
当拧紧完成后，一般短时间内会发生较为明显的预紧力下降情况，由此影响到预设的装配水平。短时间内的预紧力下降由材料的变形引起，如螺纹接触表面、材料接触表面微小凸起受压后产生塑性变形；又如被连接中如有涂覆密封胶层、液体垫片等复杂粘弹性界面则会产生蠕变变形。因此，本实施例还可以作以下改进：步骤三执行完成后，若复合材料构件的装配过程正常结束，则进入螺栓预紧力的松弛测量阶段，此时超声波传感器持续监测螺栓预紧力的变化，当螺栓预紧力逐渐减小并稳定后，得到螺栓预紧力的变化值ΔF；电动拧紧轴再次扭紧螺栓，当螺栓预紧力F达到(Ft+ΔF)或F2时，电动拧紧轴停止工作，第二次拧紧结束。因为螺栓预紧力F不能超过F2，否则会损坏复合材料构件，因此当(Ft+ΔF)>F2时，螺栓预紧力F达到F2便停止工作。
拧紧完成后，继续使用超声波预紧力测量传感器测量预紧力在短时间松弛后达到的稳定值，并通过预紧力损失量ΔF用来作为二次拧紧时预紧力加载的补偿值，进一步拧紧来抵消预紧力松弛带来的影响，使螺栓连接达到较为稳定的装配质量。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种复合材料构件螺栓连接的装配方法，包括以下步骤：
步骤一、根据复合材料构件的类型以及螺栓的类型和尺寸，确定装配所需的工艺参数，所述工艺参数包括螺栓预紧力F的预期区间F'＝[F1,F2]、螺栓预紧力目标值Ft、扭矩系数k的预期区间k'＝[k1,k2]、表面损伤因子f的允许最大值fmax、内部损伤状态s的允许最大值smax，其中0.8×F2≤Ft≤0.9×F2；
同时，确定电动拧紧轴的初始转速nstart和终止转速nend；
步骤二、将待装配的复合材料构件放在型架上完成定位与夹紧，然后在复合材料构件的预设连接位置进行钻孔；
在连接所需的螺栓末端贴上压电陶瓷片，安装电动拧紧轴，并在电动拧紧轴上安装超声波传感器用于实时测量螺栓预紧力F；
在复合材料构件表面制作散斑，并搭建3D-DIC测量***用于实时测量复合材料构件的表面应变场，以得到表面损伤因子f；
搭建超声波无损检测装置用于实时测量内部损伤状态s；
步骤三、启动电动拧紧轴拧紧螺栓，并在拧紧过程中始终实时测量得到螺栓预紧力F；在空拧阶段，螺栓预紧力F＝0，此时扭矩系数k＝0，控制电动拧紧轴的转速为nstart；在空拧阶段结束后，当检测到螺栓预紧力F大于0时，暂停拧紧；然后控制电动拧紧轴的转速为nend后继续拧紧工作，此时，根据电动拧紧轴的实时扭矩T和螺栓的直径d，计算得到实时扭矩系数k＝T/(F·d)；同时，实时检测表面损伤因子f和内部损伤状态s；
根据实时得到的螺栓预紧力F、扭矩系数k、表面损伤因子f和内部损伤状态s，进行如下控制：
1）若螺栓预紧力F达到螺栓预紧力目标值Ft，则复合材料构件的装配过程正常结束；
2）若扭矩系数k超出预期区间k'，其中，当k小于k1时，则减小电动拧紧轴的转速n和实时扭矩T，当k大于k2时，则增大电动拧紧轴的转速n和实时扭矩T；
3）若复合材料构件的表面损伤因子f达到允许最大值fmax，则复合材料构件的表面磨损较为严重，终止复合材料构件的装配过程；
4）若复合材料构件的内部损伤状态s达到允许最大值smax，则复合材料构件的内部损伤较为严重，终止复合材料构件的装配过程。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料构件螺栓连接的装配方法，其特征在于：步骤三执行完成后，若复合材料构件的装配过程正常结束，则进入螺栓预紧力的松弛测量阶段，此时超声波传感器持续监测螺栓预紧力的变化，当螺栓预紧力逐渐减小并稳定后，得到螺栓预紧力的变化值ΔF；电动拧紧轴再次扭紧螺栓，当螺栓预紧力F达到(Ft+ΔF)或F2时，电动拧紧轴停止工作，第二次拧紧结束。
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