梯度温度场下铝 – 复材胶接翼面全域热变形工业摄影测量研究

摘要：

铝 – 碳纤维复材胶接一体化翼面存在显著异种材料热膨胀失配问题，本文以总长 3200 mm 一体式襟副翼为试验件，采用工业摄影测量系统布置全域编码与非编码标志点，划分纯复材胶接段、壁板过渡段、铝 – 碳纤维复材搭接段四类典型结构，测算各分段约束线膨胀系数；对比激光跟踪仪单点测量短板，验证工业摄影测量在梯度温度快速变形工况下全域同步采集优势。

试验结果表明：铝合金搭接区对比纯复材胶接段、壁板过渡段的膨胀量最大，但差别不明显；工业摄影测量可一次性完成全翼多点坐标采集，避免分次测量点位复现误差，适合大型复合翼面梯度温度变形测试。研究可为混合结构翼面热变形机理分析、全域测量方案选型提供试验参考。

关键词：铝 – 复材胶接结构；工业摄影测量；线膨胀系数；翼面热变形

1 引言

一体化铝 – 复材胶接操纵面广泛应用于现代民航飞机，铝合金与碳纤维复材线膨胀系数相差巨大，温度变化下结构变形受胶接界面、端部约束共同作用，自由膨胀被大幅抑制。厂房升温、露天停放易形成沿翼展梯度温度场，仅采集两端接头单点数据无法揭示分段变形差异。传统激光跟踪仪需人工逐点采集，梯度加温后构件降温速度快，分次测量易引入点位匹配误差；工业近景摄影测量可一次性完成全域多点同步拍摄，在快速变形测试场景具备天然优势。现有研究缺少四类胶接区段梯度温度下约束膨胀系数量化对比，本文开展全域梯度加温摄影测量试验，分析不同结构段膨胀分布规律，对比两种测量系统适用工况。 本文研究目标：探究梯度温度场下铝复胶接翼面分段约束膨胀特性，验证工业摄影测量用于大型翼面热变形检测的可行性。

2实验部分

2.1 实验试件

试验试件为一体式航空襟副翼，总长度3200mm，主体为碳纤维复合材料。襟副翼后缘为复材壁板胶接，前缘为复材壁板与铝合金梁搭接后。构件通过两根平行木质基座支撑，装配接头垂直朝下，翼面凹侧正对测量相机。

2.2 实验设备

测量系统：采用辰维 MPS 工业摄影测量系统，依托近景摄影测量与光束法平差技术实现三维坐标解算。系统配套编码标志点、非编码标志点与标准刚性标尺，其中标尺作为全域长度基准，全程置于常温区域，不受加温影响。

加温与测温设备：采用电热毯实现局部加温，有效加热长度 1900 mm，采用手持式测温仪实时监测翼尖、过渡区、中心高温区、翼根等特征位置的温度。

2.3 测点布设方案

试验测点分为编码标志点与非编码标志点两类，二者功能分工明确，全程粘贴后不移动，保证加温前后测量基准统一。

编码标志点：作为全局像控点与坐标系衔接基准，自带唯一编号，软件可自动识别匹配，用于多视角影像拼接与相机位姿解算。沿襟副翼轮廓边缘布设外围控制点，锁定整体坐标系。编码点平均间距 20~25 cm；与非编码点间距≥10 cm，避免互相遮挡。本次共布设 17 个编码点，可保证单张影像内识别编码点数量不少于5个。

非编码标志点：为核心变形监测点，用于采集各区段长度变化数据。按照结构不同分四类测量区域，每个测量区域展向各布设 9 个监测点，划分为 8 个测量区段，分别对应翼尖低温区（ΔT=1.3 ℃）、中部过渡区（ΔT=17.2 ℃）、核心高温区（ΔT=18.7 ℃）、翼根低温区（ΔT=1.3 ℃）。

2.4 试验流程

测点粘贴布设：先粘贴外围编码点，再加密内部编码点，最后按分区位置粘贴非编码监测点；按压保证粘贴牢固，多角度目视检查无遮挡、无缺损。将标准刚性标尺水平固定于地面远离加温区域。

加温加载与保温：在构件中部铺设电热毯，开启加温并实时监测各区温度；待核心高温区达到设定温度、各分区温度稳定后，保温 30 min，保证构件内部温度场均匀。

加温后数据采集：保温结束后立即移除电热毯，快速完成多视角影像拍摄，单张照片内编码点数量≥5个。采集加温稳定状态下的测点三维坐标。全程严禁触碰任何测点，保证加温前后点位完全重合。

降温后数据采集：待实验试件降温后，重新完成拍摄，单张照片内编码点数量≥5个。采集降温状态下的测点三维坐标。

3结果与讨论

3.1 梯度温度下线膨胀系数整体分布规律

固体材料在温度载荷作用下会产生热胀冷缩现象，线热膨胀变形计算公式为：

△L=L₀**△T

其中：△L为构件热变形量，单位mm；L₀为构件初始长度，单位mm；α为材料线膨胀系数，单位℃；△T 为温度变化量，单位℃。

通过加温前后测点坐标差值计算各区段线膨胀量，结合区段温升得到约束线膨胀系数，四类测量区域的完整测试数据见表1—表4。

表 1 后缘纯复材连接段

测量区段	温升 ΔT/℃	加温前长度 L₀/mm	加温后长度 L₁/mm	线膨胀量 ΔL/mm	线膨胀系数 α/(×10⁻⁶・℃⁻¹)
测点 1 – 测点 2	1.3	190.79	190.79	0.00	0.00
测点 2 – 测点 3	17.2	277.00	277.03	0.03	6.30
测点 3 – 测点 4	18.7	291.86	291.91	0.05	9.16
测点 4 – 测点 5	18.7	350.14	350.19	0.05	7.64
测点 5 – 测点 6	18.7	245.35	245.39	0.04	8.72
测点 6 – 测点 7	17.2	286.31	286.36	0.05	10.15
测点 7 – 测点 8	17.2	453.35	453.43	0.08	10.26
测点 8 – 测点 9	1.3	435.03	435.04	0.01	17.68
测点 1-9直线距离		3203.52	3203.88	0.36

 

表 2 翼面壁板过渡段

测量区段	温升 ΔT/℃	加温前长度 L₀/mm	加温后长度 L₁/mm	线膨胀量 ΔL/mm	线膨胀系数 α/(×10⁻⁶・℃⁻¹)
测点 1 – 测点 2	1.3	228.00	228.00	0.00	0.00
测点 2 – 测点 3	17.2	268.61	268.63	0.02	4.33
测点 3 – 测点 4	18.7	269.34	269.40	0.06	11.91
测点 4 – 测点 5	18.7	357.01	357.06	0.05	7.49
测点 5 – 测点 6	18.7	234.45	234.50	0.05	11.40
测点 6 – 测点 7	17.2	302.16	302.22	0.06	11.54
测点 7 – 测点 8	17.2	432.18	432.24	0.06	8.07
测点 8 – 测点 9	1.3	517.32	517.32	0.00	0.00
测点 1-9直线距离		3228.81	3229.20	0.39

表 3 复材 – 翼面壁板过渡段

测量区段	温升 ΔT/℃	加温前长度 L₀/mm	加温后长度 L₁/mm	线膨胀量 ΔL/mm	线膨胀系数 α/(×10⁻⁶・℃⁻¹)
测点 1 – 测点 2	1.3	237.32	237.32	0.00	0.00
测点 2 – 测点 3	17.2	259.99	260.03	0.04	8.94
测点 3 – 测点 4	18.7	258.45	258.51	0.06	12.41
测点 4 – 测点 5	18.7	311.73	311.79	0.06	10.29
测点 5 – 测点 6	18.7	347.88	347.95	0.07	10.76
测点 6 – 测点 7	17.2	331.95	332.01	0.06	10.51
测点 7 – 测点 8	17.2	312.57	312.61	0.04	7.44
测点 8 – 测点 9	1.3	532.35	532.36	0.01	14.45
测点 1-9直线距离		3230.89	3231.28	0.39

表 4 复材 – 铝合金搭接段

测量区段	温升 ΔT/℃	加温前长度 L₀/mm	加温后长度 L₁/mm	线膨胀量 ΔL/mm	线膨胀系数 α/(×10⁻⁶・℃⁻¹)
测点 1 – 测点 2	1.3	291.3	291.34	0.04	105.63
测点 2 – 测点 3	17.2	228.44	228.47	0.03	7.64
测点 3 – 测点 4	18.7	265.72	265.79	0.05	14.09
测点 4 – 测点 5	18.7	292.33	292.39	0.06	10.98
测点 5 – 测点 6	18.7	317.57	317.64	0.07	11.79
测点 6 – 测点 7	17.2	352.34	352.39	0.05	8.25
测点 7 – 测点 8	17.2	360.54	360.58	0.04	6.45
测点 8 – 测点 9	1.3	483.54	483.54	0	0
测点 1-9直线距离		3170.55	3170.96	0.41

3.2 梯度温度下线膨胀系数整体分布规律

由各区段温升与对应线膨胀系数可知，四种结构的膨胀特性均与梯度温度场高度耦合，沿构件展向呈现两端低温区段膨胀微弱、中部高温区段膨胀显著的对称分布特征。

1）两端低温区段 ΔT=1.3 ℃，各结构区段变形量基本趋近于 0，尺寸稳定性优异。少数端部区段出现极高系数（如纯复材段 17.68、铝搭接段 105.63），并非材料真实膨胀性能，是区段原始长度短、变形量接近测量设备下限，微小误差被放大导致，不具备工程参考价值。

2）中部过渡区 ΔT=17.2 ℃、中心高温区 ΔT=18.7 ℃为构件尺寸变化的主导区域，四类结构有效线膨胀系数稳定分布在 4.33～14.09×10-6/℃，随区段温升提升，线膨胀系数整体同步上升，证明温度是驱动襟副翼尺寸变化核心诱因。

3）整体总膨胀量对比：同等平均温升条件下，后缘纯复材段总伸长 0.36 mm；两类复材 – 壁板过渡段总伸长均为 0.39 mm；复材 – 铝合金搭接段总伸长达到 0.41 mm。随结构内铝合金占比提升，构件整体约束线膨胀量逐步增大，铝合金高膨胀特性是温变尺寸波动主要来源。

4）约束抑制作用显著：若构件为无约束纯铝合金自由膨胀，加温区域的17.95℃温差下 1.9 m 长度的伸长量可达 0.79 mm；而实际加温区搭接结构仅为 0.37 mm，约 47% 的膨胀量被复材约束、端部约束共同抵消。

3.3实验方法总结

试验初期采用激光跟踪仪开展数据采集，但该设备存在两处明显短板。一方面，本次试验采用电热毯局部加温方式，构件停止加热后降温速率较快，而激光跟踪仪需人工逐点手动采集数据，测量效率低，难以在短时间内完成全部测点的数据记录。另一方面，加温、降温两组工况分次测量时，激光跟踪仪无法精准保证每次瞄准的测点位置完全重合，易引入位置偏差，影响变形计算精度。综合以上问题，本次试验最终更换为工业摄影测量系统完成全程检测。

相较于传统激光跟踪仪单点手动采集模式，工业摄影测量系统一次布点即可完成两组工况测试，既解决了分次测量时测点无法精准重合的问题，有效消除点位偏移带来的测量误差；同时全域拍照的数据采集方式效率更高，可适配构件文段变化速度快的工况，避免因温度持续变化造成试验数据失真。

4结论

1）梯度温度场下铝 – 复材一体化胶接翼面展向热变形呈现明显分区特征：翼根、翼尖两端低温区段温升仅 1.3 ℃，区段长度变化量趋近于 0，尺寸稳定性良好；构件中部 17.2 ℃、18.7 ℃高温过渡区为热变形主导区域，各结构段约束线膨胀系数集中分布在 4.33～14.09×10⁻⁶/℃。四种胶接结构对比结果表明，复材 – 铝合金搭接段整体约束伸长量最大，纯复材后缘段变形最小，构件内铝合金占比越高，同等温升下热膨胀变形越显著。

2）异种材料胶接约束对铝合金热伸长存在显著抑制效果：1900 mm 加温区段在 17.95 ℃温差条件下，无约束纯铝合金自由伸长可达 0.79 mm，受复材壁板、端部边界共同约束后实际总伸长仅 0.41 mm，结构约束抵消约 47% 的铝合金自由膨胀量。若直接采用纯金属线膨胀公式计算混合翼面变形，会大幅高估构件尺寸变化，必须引入约束修正系数才能保证变形预测精度。

3）针对梯度加温后构件快速降温的试验工况，工业摄影测量相比传统激光跟踪仪具备显著优势：单次布点即可同步完成升温、降温两组工况全域多点数据采集，采集时长由 2 h 缩短至30 min，依靠编码标志点自动匹配实现测点精准复现，有效消除分次人工瞄准、温度持续漂移带来的系统测量误差，更适用于大型复合翼面梯度温度变形同步测试。

 

参考文献

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