[00825155]基于应力波加载的航空航天轻量化结构长寿命装配连接技术及装备

该项目属于航空航天制造领域。先进航空器的重要特征是轻量化、长寿命和高可靠性，80000～90000小时的飞行寿命必须解决百万量级紧固连接接头的安全与可靠性问题。统计数据表明：航空事故70％以上均由于连接接头的质量出现问题而引起。连接质量和可靠性受控于紧固件、钉孔配合等因素的综合影响，特别是随着复合材料和钛合金等新型轻质材料的大量应用，紧固件及其安装方式方法更加显著地影响结构的疲劳寿命和可靠性。干涉配合连接能有效改善接头应力状态，提高接头寿命，已成为飞机制造中最有效的强化工艺方法之一，其包括干涉配合螺接和干涉配合铆接。干涉配合螺接采用“冷缩法”或将螺栓通过“生拉硬拽”的强迫安装方法挤入或压入，只能实现小干涉量紧固件安装。普通铆接的干涉配合钉杆膨胀不均匀，疲劳寿命增益小。在轻质结构中应用最广泛的钛合金铆钉由于成形性差只能采用热铆。热铆容易产生“烧蚀”，并对结构带来不利影响。实现大干涉量干涉配合紧固件的安装及钛合金铆钉的冷铆已成为新机研制的技术瓶颈。国内外研究表明，应力波铆接是解决这一技术瓶颈的有效工艺方法。但受控于国外技术的封锁，应力波铆接的核心工艺和装备掌握在他人手里，造成了高昂的制造和装配成本。随着中国新型火箭、大型军用/民用飞机研制中干涉配合紧固件数量大幅度增加，研发长寿命高可靠性应力波铆接工艺与装备成为了项目组二十年来矢志不渝的追求。 该项目围绕中国航空航天产品轻量化结构长寿命高可靠性的迫切需求，在国防科工局技术基础科研项目、国家基金、航空基金、大型客机攻关项目、国家商用飞机创新基金等项目支持下，投资上千万，开展了航空航天轻量化结构长寿命装配连接技术研究及装备研制。提出基于应力波加载的长寿命装配连接工艺方法，建立了干涉配合疲劳强化新理论，研制出基于应力波加载的系列化设备，攻克了钛合金等难成形材料的铆接难题，实现了复合材料“无损铆接”、无头钉和大直径铆钉的手工铆接和金属结构的“理想干涉配合铆接”，为中国航空航天产品的装配连接提供先进的设计理论、工艺方法和装配装备。该项目的主要创新点包括： (1)创建了基于弹性机制的干涉配合抗疲劳强化理论及定量分析方法。基于先离散后整合的分析方法和思路，建立了干涉配合强化的弹簧模型，提出了干涉配合结构的传载分析思路及定量分析方法，实现了干涉配合强化分析从定性到定量的跨越，成功地解释了强化理论难以解释的多个强化现象，奠定了复合强化等先进强化工艺应用的理论基础，为航空航天结构长寿命连接优化设计提供了先进的理解分析与设计方法。 (2)创建了一种全新的基于应力波的干涉配合紧固件安装方法。揭示了应力波安装加载机理，彻底解决了大直径、大干涉量、厚夹层干涉配合紧固件安装难题，将连接接头疲劳寿命较普通安装方法提高1.5～3倍，并制定了应力波铆接工艺规范；研发了应力波安装设备，通过将紧固件瞬间弹性“拉细”，克服了传统安装方法“生拉硬拽”的弊端，为中国新一代航空航天产品轻量化结构装配连接提供了先进的工艺方法。 (3)攻克了航空航天产品轻量化结构中包括复材结构铆接、钛合金等难成形材料柳钉铆接及大直径铆钉及无头钉手工铆接等在内的多个装配难题。实现了复材结构的“无损铆接”、钛合金铆钉的冷铆及无头钉、大直径铆钉的手工铆接、金属结构的“理想干涉配合铆接”，大幅度提高了接头疲劳寿命，实现了中国航空航天产品制造装配连接技术水平整体提高。 (4)突破了应力波加载设备中包括高性能放电线圈、冲击大电流电源、高效应力波铆枪等在内的多项关键制造技术，研制成功系列化应力波加载设备，实现了国防生产关键技术的自主可控。研制的系列化应力波加载设备，如干涉配合紧固件的应力波安装设备、基于应力波加载的材料高速冲击测试系统实现重大创新，填补国内外空白，研制的应力波(电磁)铆接设备打破国外垄断，实现应力波铆接设备的中国制造，并获得广泛应用，产生巨大经济效益。 (5)推动了研究成果在国内航空航天诸多型号中的普及应用，解决了国家重大装备装配连接中的瓶颈问题。该项目成果为中国重大型号研制中关键技术难题的解决提供了先进的工艺方法和手段，已在长征系列火箭、某大型运输机、某中型运输机、多个型号歼击机等十多个重大型号中应用，产生巨大技术经济效益。该项目获发明专利授权20项，实用新型6项，软件登记6项，制定航天标准1项，发表论文73篇，研究成果得到国防科技图书出版基金资助出版《电磁柳接》和《飞机结构干涉强化理论及应用》专著2部，复材结构铆接工艺参数已被国家标准“民用飞机复合材料制件铆接要求”采用，研究成果获得2019年陕西高校科学技术奖一等奖。该项目研制的应力波铆接设备达到国际先进水平，实现了应力波铆接设备的中国制造，已在中国航空航天领域广泛应用，国内市场占有率54％(进口42％，其它4％)。该项目成果打破了国外垄断，迫使进口应力波铆接设备在中国售价由300万元/台降低到150万元以下，降幅达50％，为中国直接节省3000多万人民币，研制的半自动化应力波铆接设备以每套设备高出美国产品15％的价格击败美国产品而中标。围绕该项目设备研发的6项专利被中联资产评估集团(陕西)有限公司评估作价1200～1600万元，已按1400万元作价入股产业化公司35％的股权。 该项目解决了中国多个型号新机、大型火箭研制中的多项关键技术难题，为大直径铆钌、钕合金等难成形材料铆钉、复合材料结构铆接以及大干涉量、厚夹层结构干涉配合紧固件的安装提供了先进的工艺手段，提升了中国航空航天装配技术水平和产品性能。项目成果已推广应用到上海航天设备制造总厂有限公司长五火箭、天津航天长征火箭制造有限公司多种大型火箭、陕西飞机工业(集团)有限公司运9、沈阳飞机工业(集团)有限公司某型号歼击机、西安飞机工业(集团)有限责任公司某型号运输机等的生产制造中。由于铆接工艺的通用性，该项目成果对于船舶、汽车、桥梁、高铁等制造领域潜在应用价值明显。