承载结构的垫片设计

胡杰 李维娜

【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 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。