承载结构的垫片设计

承载结构的垫片设计

作者：胡杰 李维娜

来源：《科技视界》2019年第11期

【摘 要】加垫是工程中最常用的消除间隙的方法。按垫片是否承受和传递载荷，可将垫片分为结构垫片和非结构垫片两种。结构垫片可看成是结构加强板，参与载荷传递。非结构垫片不参与传力，会产生附加弯矩。允许的非结构垫片厚度与载荷、紧固件类型以及结构细节设计有关，使用时需进行充分的强度分析。 【关键词】加墊;飞机设计

中图分类号： U463.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）11-0036-001 DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.016

【Abstract】Gaps are often found between structural surfaces/interfaces due to manufacture and assembly accuracy. Shims are used to fill in the gap and avoid assembly stress.Structural shim can be

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seen as reinforcement of structure elements，which also transmit parts of loads.Non-structural shim does not transmit loads and can cause additional moment. 【Key words】Shim;Aircraft design

受制造和装配精度制约，结构之间难免会出现各种间隙。为避免附加应力，应在结构间加垫填补间隙。允许加垫的厚度与载荷、紧固件以及垫片是否参与传力有关。根据工程经验，0.2mm以下的间隙允许不加垫，直接进行紧固连接。0.2mm～0.8mm的间隙，可以使用可剥垫片加垫。可剥垫片为金属薄片层压制成，层间结合力弱，不能承受面外和弯曲载荷，超过0.8mm的间隙，通常使用金属板材加工固体垫片进行加垫。工程允许加垫的最大厚度为5mm，且不允许叠层加垫。根据垫片是否参与传力，可将垫片分为结构垫片和非结构垫片。进行垫片设计时，需详细考虑加垫对连接结构强度的影响。 1 非结构垫片

非结构垫片仅作贴合面间隙填充，如图1所示，假设构件A和B的厚度为T，间隙为t。加垫后，紧固件的偏心矩由PT增加到P（t+T）。加垫引起的附加弯矩为Pt。如果加垫区域有n个紧固件，不考虑端头紧固件的峰值效应（峰值效应可通过构件端头斜削优化来避免），每颗紧固件处载荷可以认为是P/n，那么每个紧固件的附加弯矩为Pt/n。如果紧固件可以承受的附加弯矩一定，那么加垫区域越大，即n越大，允许加垫的厚度越大。

加垫对紧固件影响较大，使紧固件承受弯剪复合载荷。紧固件弯剪联合作用的安全裕度可由式（1）计算：

民机结构设计时，通常让紧固件为结构中的薄弱环节。图1所示结构可能出现的失效模式有：紧固件剪切破坏，构件拉伸破坏、构件钉孔挤压破坏、钉间失稳等。设计时会让紧固件剪切破坏裕度最小。这样一旦出现超过设计载荷的未预料情况，紧固件会优先发生破坏。这样设计出于两点考虑，一是紧固件断裂是局部损伤不易扩展，结构发生局部破坏后容易扩展，导致大片区域失效;二是紧固件断裂可视易检，便于及早发现并采取措施。因此，对于大部分的加垫情况，仅需按式（1）校核紧固件强度。 2 结构垫片

结构间隙过大时，垫片仅作间隙填充会导致附加弯矩过大引起紧固件或连接构件破坏，这时可以采用结构垫片。如图2所示，垫片本身参与传力。垫片可看成是构件B的加强板，与构件B一起将载荷P传给构件A。以图2为例，假设P=36kN，构件A和B厚4mm，材料为2024-T3;垫片厚2mm，材料为2024-T3;紧固件为6号高锁螺栓，剪切强度为12kN。A上的载荷P向垫片和B上传递，假设载荷分配与厚度成比例，则垫片分担的载荷为12kN，B分担24kN。垫片钉孔挤压强度为7500N，则垫片与A连接的紧固件数量至少为：12000/7500=1.6（取整为2个）。图2中使用3个紧固件，满足强度要求。然后确定垫片宽度W，2024-T3的

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拉伸强度430MPa，则12000/2W≤430，得出W≥13.9mm。考虑紧固 件2D边距，W可取4D，即19mm。 3 总结

垫片主要作用是消除间隙，补偿制造和装配误差。非结构垫片不参与传力，对紧固件会产生附加弯矩作用。允许的非结构垫片厚度与受力大小、受力性质（紧固件受拉还是受压）以及紧固件类型有关。结构垫片参与传力，可以看成是构件的加强板，可有效降低附加弯矩。作者简介：胡杰（1987—），男，浙江人，硕士研究生，工程师，飞行器设计。 作者简介：胡杰（1987—），男，浙江人，硕士研究生，工程师，飞行器设计。