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引言

目前，随着复合材料、钛合金材料等新型材料在飞机研发过程中的广泛应用，复合材料以其各项优异的性能在飞机制造业已经得到普遍的应用。然而，由于复合材料本身制造精度的不足等一系列的问题，使得复合材料装配过程中可能会存在间隙，而且当间隙较大的时候继续装配，就有可能损坏复合材料结构，所以在实际的装配工作过程中，需要通过一定的间隙补偿方法来消除结构之间的间隙。

1 复合材料概述

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，复合材料的基体材料分为金属和非金属材料两大类，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维等等。现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志。目前，随着复合材料的发展，飞机制造领域当中其已被广泛的应用，在空客公司设计制造的A330和A340飞机中，复合材料的用量达到飞机总重量的12%左右，A320飞机中复合材料用量则增加到15%，A380飞机中复合材料用量达到27%左右，A350复合材料用量提高到52%；波音公司的787飞机复合材料用量达到50%[1]。由于复合材料所构成的材料在的固化收缩、模具热膨胀系数不同等多因素影响下，导致复合材料构件的成形精度低于金属构件，零件尺寸误差和外形误差较大，在实际的装配过程当中，会导致装配结构贴合面之间可能存在一定的间隙产生。由于结构间隙的存在，复合材料零组件的装配与金属结构的零组件装配有很大的区别，当间隙较小的情况下，可以通过直接采用强迫装配的途径来消除间隙。但是，如果产生的间隙过大话，在强迫装配的过程当中就很有可能会在复合材料构件中产生较大的装配应力，这样一来就会损坏复合材料零组件。而且除此之外，如果在间隙过大的情况下进行强迫装配，在所有紧固件连接完成后，也很有可能会使复合材料构件产生较严重的不可逆的装配变形问题，因此在复合材料零组件装配过程中，必须采用必要用垫片来进行间隙补偿，填充存在的间隙，以减弱装配应力等对复合材料构件带来的不利影响。

2 复合材料装配间隙补偿

2.1 间隙测量

根据复合材料的零件加工和成型过程，可以了解到复合材料的变形是避免不了的，那么在后续的装配过程中，在进行间隙补偿工作进行之前，需要对结构件的装配前进行间隙的测量，只有对间隙的测量才能了解复合材料装配时还存在多大的间隙，为后续加垫提供理论依据。当前情况下，在通常的飞机装配过程当中，经常会选择用测量塞尺工具来进行测量已经存在的间隙，而这种方法有一定的缺陷，比如其特点之一是严重依赖与操作者的技术水平，另外还有就是塞尺在测量小间隙的情况下，塞尺较薄，通常不能完成的测量整个结构贴合面全部，需要反复多次测量，而这就会导致其实际的测量精度和效率都是比较底下的。

随着当前数字化技术的不断发展，飞机装配数字化的程度的不断提高，越来越能体现出那些传统的测量方法的劣势，比如精度不高，无法实现随时随地记录数据和存数数据。为了能够在一定程度上改变这种状况，激光测量和照相测量等数字化的测量方法和手段，也已经在飞机装配过程中大量应用，为了能够提高装配过当中的工作效率，在复合材料结构零件定位过程中就可以采用激光跟踪仪或照相测量来进行零件的外形测量，根据测量的大量的三维数据利用专用SA软件与理论外形比较，就可以提前知道复合材料零组件的外形变化，从而可以知道是干涉还是存在间隙，为下一步加垫做好测量数据积累。目前，已经在激光跟踪仪单个测量点的基础上发展出专用的间隙扫描设备，通过与设备连接的手持终端可以产品对结构进行激光扫描，然后通过与理论的数值进行对比，包括外形、阶差和间隙数据，都可以计算出来，可以显示测量区域的每个点的偏差状况，这种测量方式可以大大的缓解和解决传统测量过程中测量不全面和人为误差的影响，这种测量手段和方式也是飞机装配过程下一步发展的数字化测量方向。

2.2 间隙补偿工艺

通常复合材料机翼盒段的设计补偿不大于0.5mm，要求10m以上的上、下整体壁板与数十个肋站位平面、梁平面装配时插装达到协调一致。从表面上看，协调部位由曲面变为平面似乎简单化了，但是复合材料制件在装配过程中具有不允许打磨、锉修、带应力装配等特点，大大提高了装配协调的难度[2]。间隙补偿技术，就是用各种不同形式的垫片补偿产生的间隙，使零组件贴合面的表面通过垫片实现产品之间的贴合的目的，从而达到保证一定的连接强度的目的。目前通常使用的垫片材料加垫方式有固体垫片和液体垫片两种方式，固体垫片材料一般为铝合金材料、复合材料，还有铝合金和复合材料相结合的材料，可根据测量的间隙直接使用；普通液体垫片类似于密封剂的使用方式，可由工作人员手工的涂在构件上，待液体固化后达到间隙补偿目的。另外从垫片的加工方面，通常为整体垫片和可剥垫片两种，整体垫片材料常用的是铝合金材料垫片，在金属结构间隙尺寸较大时常用，可剥离垫片是逐层用胶粘连接，可以根据不同间隙的大小可剥离出合适的垫片进行加垫补偿，这种垫片在使用时非常的便利，减少了现场操作时打磨的烦琐工序，可以根据实际的测量间隙，选择使用不同厚度的可剥垫片使用。

在实际的装配过程中，根据装配结构的材料选取不同的材料的垫片和加垫方式，主要还是考虑到飞机装配过程中的异电位腐蚀问题，由于不同材料的零件装配在一起必然存在电位腐蚀问题，所以加垫时需要考虑的。例如结构装配件是铝合金结构，就可以选取相应厚度的铝合金垫片或者可剥垫片来避免异电位腐蚀问题。而对于钛合金固体垫片来说，由于其具有良好的耐腐蚀性能，在防腐领域得到了广泛的应用，但是存在的问题是钛合金垫片的成本相对来说比较高，制造的难度比较大。复合材料装配时就必须选取可剥复合材料垫片，就是比较合适的，可以根据测量的间隙值，剥离相同厚度的垫片，再根据零件大小，裁剪出与零件外形一致的垫片材料。

液体垫片是一种新型的加垫方式，主要是由树脂材料和固化剂等材料构成的，作为加垫材料使用时可以很好地保证在间隙不连续的情况下使用，但也有一定的缺陷，由于与密封剂类似，因此测量的间隙值不能太大，否则液体垫片没有很好的强度刚性。在结构间隙小的情况下，液体垫片的使用也有非常好的优势，使用时由于要保证与零组件之间的贴合，对基体材料需要先进行打磨，然后采用溶剂清洗待加垫表面，确保待刷涂表面干净，同时在待使用液体垫片部位的边缘、内表面和要脱模的表面刷涂脱模剂，防止液体垫片固化后粘接无法分离。施工后待液体垫片固化时还需保持一定的夹紧力，确保产品之间的间隙被消除，待固化后就可以继续后续正常装配。

3 间隙补偿对复合材料构件装配的作用

3.1 对复合材料构件装配性能的影响

飞机复合材料部件大多是采用螺栓或者单面连接紧固件进行连接，这样一来，就可以在一定程度上减少或消除间隙的影响，使产品结构的结合面上、下表面能够在螺栓拉力的作用下配合得很好。但是如果当间隙过大的时候强迫装配，制孔就会使得产品上下表面的结构孔存在偏差，连接后会导致孔与螺栓之间不同心，使得结构产生一定的应力，往往不能符合一定的精度要求，严重时可导致复合材料结构分层，这对飞机的产品结构是致命的损伤，所以就需要进行间隙补偿工作。在螺栓拧紧的过程整个过程当中，不同的间隙补偿参数设置会改变复合材料构件表面的应力和应变，从而就会直接的影响构件内部存在的装配应力。

同时，复合材料本身孔与螺栓之间的配合就是间隙配合，在强制转配过程中，产品结构与结构之间会产生窜动，间隙的生产会增加结构之间的相对约束，最终会导致产品严重的弯曲变形，使得最终的装配结果与理论设计的偏差较大，而且无法控制。

3.2 对复合材料结构使用性能的影响

复合材料的高刚度导致很难将其强制压到合适的位置，目前对于匹配不好的构件通常采用加垫补偿的方法来实现适当的配合。复合材料构件的制造偏差使复合材料构件在形状协调时引入装配应力，这些应力会影响复合材料结构的疲劳性能。飞机复合材料结构包含了许多疲劳细节，如开孔、变厚度、变截面等几何形状不连续部位。在疲劳载荷作用下这些细节部位由于存在应力集中，成为疲劳裂纹萌生扩展的策源地，从而降低了结构的疲劳强度。复合材料疲劳损伤的微观结构机理（如纤维断裂、基体开裂、脱黏、横向层开裂和分层等）有时独立发生，有时以相互作用的方式发生，将影响复合材料构件的主要优势[3]。

因此，在飞机结构装配过程中，如何控制复合材料零件外形、如何减少飞机装配应力、如何减少结构受力对飞机疲劳的影响等等因素是一直在研究和解决的方面，单从减少装配应力方面，更加精确的测量和不同的加垫方式，对复合材料装配会产生非常大的影响。

4 结束语

综上所述，复合材料受自身性能和成型工艺的限制，与金属构件相比，复合构件的制造几何精度不易控制。厚度、轮廓度和R角的尺寸和形状偏差相对偏难。此外，复合材料刚性高，基体脆化，容易分层等特点，在后续的装配过程中，应减少强迫装配，多考虑一些补偿方法，能有效减少飞机结构变形和装配应力的产生，提升飞机部件的疲劳寿命和安全系数。