承載結構的墊片設計

胡杰 李維娜

【摘 要】加墊是工程中最常用的消除間隙的方法。按墊片是否承受和傳遞載荷，可將墊片分為結構墊片和非結構墊片兩種。結構墊片可看成是結構加強板，參與載荷傳遞。非結構墊片不參與傳力，會產生附加彎矩。允許的非結構墊片厚度與載荷、緊固件類型以及結構細節設計有關，使用時需進行充分的強度分析。

【關鍵詞】加墊;飛機設計

中圖分類號： U463.8 文獻標識碼： A 文章編號： 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 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

受制造和裝配精度制約，結構之間難免會出現各種間隙。為避免附加應力，應在結構間加墊填補間隙。允許加墊的厚度與載荷、緊固件以及墊片是否參與傳力有關。根據工程經驗，0.2mm以下的間隙允許不加墊，直接進行緊固連接。0.2mm～0.8mm的間隙，可以使用可剝墊片加墊?？蓜儔|片為金屬薄片層壓制成，層間結合力弱，不能承受面外和彎曲載荷，超過0.8mm的間隙，通常使用金屬板材加工固體墊片進行加墊。工程允許加墊的最大厚度為5mm，且不允許疊層加墊。根據墊片是否參與傳力，可將墊片分為結構墊片和非結構墊片。進行墊片設計時，需詳細考慮加墊對連接結構強度的影響。

1 非結構墊片

非結構墊片僅作貼合面間隙填充，如圖1所示，假設構件A和B的厚度為T，間隙為t。加墊后，緊固件的偏心矩由PT增加到P（t+T）。加墊引起的附加彎矩為Pt。如果加墊區域有n個緊固件，不考慮端頭緊固件的峰值效應（峰值效應可通過構件端頭斜削優化來避免），每顆緊固件處載荷可以認為是P/n，那么每個緊固件的附加彎矩為Pt/n。如果緊固件可以承受的附加彎矩一定，那么加墊區域越大，即n越大，允許加墊的厚度越大。

加墊對緊固件影響較大，使緊固件承受彎剪復合載荷。緊固件彎剪聯合作用的安全裕度可由式（1）計算：

民機結構設計時，通常讓緊固件為結構中的薄弱環節。圖1所示結構可能出現的失效模式有：緊固件剪切破壞，構件拉伸破壞、構件釘孔擠壓破壞、釘間失穩等。設計時會讓緊固件剪切破壞裕度最小。這樣一旦出現超過設計載荷的未預料情況，緊固件會優先發生破壞。這樣設計出于兩點考慮，一是緊固件斷裂是局部損傷不易擴展，結構發生局部破壞后容易擴展，導致大片區域失效;二是緊固件斷裂可視易檢，便于及早發現并采取措施。因此，對于大部分的加墊情況，僅需按式（1）校核緊固件強度。

2 結構墊片

結構間隙過大時，墊片僅作間隙填充會導致附加彎矩過大引起緊固件或連接構件破壞，這時可以采用結構墊片。如圖2所示，墊片本身參與傳力。墊片可看成是構件B的加強板，與構件B一起將載荷P傳給構件A。以圖2為例，假設P=36kN，構件A和B厚4mm，材料為2024-T3;墊片厚2mm，材料為2024-T3;緊固件為6號高鎖螺栓，剪切強度為12kN。A上的載荷P向墊片和B上傳遞，假設載荷分配與厚度成比例，則墊片分擔的載荷為12kN，B分擔24kN。墊片釘孔擠壓強度為7500N，則墊片與A連接的緊固件數量至少為：12000/7500=1.6（取整為2個）。圖2中使用3個緊固件，滿足強度要求。然后確定墊片寬度W，2024-T3的拉伸強度430MPa，則12000/2W≤430，得出W≥13.9mm?？紤]緊固 件2D邊距，W可取4D，即19mm。

3 總結

墊片主要作用是消除間隙，補償制造和裝配誤差。非結構墊片不參與傳力，對緊固件會產生附加彎矩作用。允許的非結構墊片厚度與受力大小、受力性質（緊固件受拉還是受壓）以及緊固件類型有關。結構墊片參與傳力，可以看成是構件的加強板，可有效降低附加彎矩。作者簡介：胡杰（1987—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，飛行器設計。

作者簡介：胡杰（1987—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，飛行器設計。