民用飛機(jī)上緊固件的重要強(qiáng)度選用原則

曹飛龍

中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200232

民用飛機(jī)上緊固件的重要強(qiáng)度選用原則

曹飛龍

中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200232

民用飛機(jī)上緊固件種類數(shù)量繁多，如何選擇合適的緊固件，需要考慮很多方面的因素。本文就緊固件選擇中需要考慮的重要強(qiáng)度因素做探討，從而為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中更準(zhǔn)確的選用合適的緊固件提供幫助。

民用飛機(jī)；緊固件；選用

引言

民用飛機(jī)上緊固件種類數(shù)量繁多，按緊固件類型劃分，機(jī)械連接通常采用的緊固件有4種：銷釘、螺釘、鉚釘和螺栓[1]。

銷釘多用于耳片接頭，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件緊固連接不適用。螺釘與結(jié)構(gòu)件連接力小，連接不牢固，易松動(dòng)，在承載連接中一般不采用。鉚釘連接是機(jī)械連接中工藝最簡單、成本最低、增重最少的連接方式。金屬結(jié)構(gòu)連接中，鉚接廣泛應(yīng)用。在需要重復(fù)拆裝和承載較大的部位，大都采用螺栓連接。螺栓連接適合較厚的結(jié)構(gòu)件連接。

銷釘和螺釘由于對承載連接中一般不采用，故本文不做分析，而重點(diǎn)對民機(jī)上使用廣泛的承載緊固件鉚釘和螺栓進(jìn)行分析。

在承載緊固件中，如何選擇合適的緊固件進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接，需要考慮很多方面的因素。

最基本的選用原則，包括以下3點(diǎn)[2]：

1 )民機(jī)項(xiàng)目中選用的緊固件必須滿足民用航空適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25及FAR25相關(guān)條款要求；

2 )優(yōu)先選用有使用經(jīng)驗(yàn)的緊固件，保證飛機(jī)的可靠性，安全性及先進(jìn)性；

3 )在滿足設(shè)計(jì)的前提下，盡量選用成本低的緊固件，且盡量減少緊固件的品種與規(guī)格，保證可采購性。

在滿足上述基本選用原則的基礎(chǔ)上，承載緊固件的選擇需要進(jìn)一步的考慮結(jié)構(gòu)的可達(dá)性和強(qiáng)度的可靠性。結(jié)構(gòu)的可達(dá)性指結(jié)構(gòu)安裝、檢查、維修時(shí)必須要能方便有效的對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)操作。強(qiáng)度的可靠性指結(jié)構(gòu)在連接好后必須要保證連接的強(qiáng)度能夠滿足結(jié)構(gòu)在其工作范圍內(nèi)任何情況下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。

下文對結(jié)構(gòu)連接的強(qiáng)度可靠性進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 緊固件選用的強(qiáng)度要求

結(jié)構(gòu)的內(nèi)力決定了結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度要求，由此決定著結(jié)構(gòu)件尺寸、緊固件數(shù)量及排列方式等細(xì)節(jié)。因此，了解清楚結(jié)構(gòu)的傳力路徑及內(nèi)力分布是進(jìn)行緊固件選擇的重要前提。必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、受力大小來布置相應(yīng)的受拉、受剪、拉剪結(jié)合等類型的承載緊固件。在緊固件的布置過程中，以下幾個(gè)方面是保證結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度可靠性的重要因素：

1 )緊固件邊距

緊固件邊距通常要求大于緊固件兩倍孔徑(2D)。如果緊固件邊距小于2D，可能會(huì)導(dǎo)致緊固件孔與結(jié)構(gòu)邊緣之產(chǎn)生以下兩種形式的破壞，如圖1,圖2所示。

圖1 短邊距引起的結(jié)構(gòu)剪切破壞

圖2 短邊距引起的結(jié)構(gòu)拉伸破壞

當(dāng)結(jié)構(gòu)件上的載荷方向與短邊距方向相同時(shí)，短邊距可能引起結(jié)構(gòu)剪切破壞，需要用下面的公式偏保守的計(jì)算結(jié)構(gòu)的剪切破壞承載能力：

Ps=(Fsu).2t.(ED-0.383D)

式中：

Fsu—結(jié)構(gòu)材料的極限剪切強(qiáng)度；

t—材料厚度；

ED—邊距；

D—釘孔直徑。

并將結(jié)構(gòu)的剪切破壞承載能力與緊固件的剪切許用值[p]進(jìn)行比較，只有當(dāng)Ps>[p]時(shí)結(jié)構(gòu)才不會(huì)剪切破壞。

當(dāng)結(jié)構(gòu)件上的載荷方向與短邊距方向垂直時(shí)，短邊距可能引起結(jié)構(gòu)拉伸破壞，需要用下面的公式偏保守的計(jì)算結(jié)構(gòu)的拉伸破壞承載能力：

Pt=(Ftu).2C.t

式中：

Ftu—結(jié)構(gòu)材料的極限拉伸強(qiáng)度；

t—材料厚度；

C—邊距；

并將結(jié)構(gòu)的拉伸破壞承載能力與緊固件的剪切許用值[p]進(jìn)行比較，只有當(dāng)Pt>[p]時(shí)結(jié)構(gòu)才不會(huì)拉伸破壞。

2）緊固件間距

緊固件間距通常要求在4D～6D。當(dāng)緊固件間距小于4D，可能會(huì)導(dǎo)致緊固件孔之間沿拉伸載荷平行方向剪切破壞，如圖3所示。

圖3 釘間撕裂破壞

釘間距小于4D時(shí)，需要用以下公式偏保守的計(jì)算結(jié)構(gòu)的剪切破壞承載能力：

并將結(jié)構(gòu)的剪切破壞承載能力與緊固件的剪切許用值[p]進(jìn)行比較，只有當(dāng)Ps2>[p]時(shí)結(jié)構(gòu)才不會(huì)剪切破壞。

3 )緊固件排列方式

兩排以上的緊固件連接，各排釘孔應(yīng)盡可能平行排列，此時(shí)疲勞強(qiáng)度較高；采用交錯(cuò)排列，靜強(qiáng)度略高。

圖4 緊固件排列方式

如圖3所示，當(dāng)兩排釘間角度θ=45°，表示兩排釘交錯(cuò)排布；當(dāng)θ=90°，表示兩排釘并排排布。由釘孔應(yīng)力集中系數(shù)可以看出，兩排釘孔并排排布時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)要明顯比兩排釘孔交錯(cuò)排布時(shí)小，并排排布疲勞裕度相對會(huì)更好。

4 )端頭緊固件

離載荷最近的緊固件處被連接構(gòu)件的厚度應(yīng)該足夠小以保證在緊固件剪斷以前先發(fā)生擠壓破壞。否則，當(dāng)端頭緊固件被剪斷以后，其余緊固件特別是緊鄰該剪斷緊固件的緊固件承受的載荷將大大增加，從而導(dǎo)致疲勞破壞。應(yīng)該采用斜削、階梯厚度等方式使離載荷最近的緊固件（一般位于連接板或連接接頭的端頭）比其余緊固件承擔(dān)的載荷要小。

2 結(jié)語

本文就緊固件選擇中需要考慮的重要強(qiáng)度因素進(jìn)行了探討，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中認(rèn)識(shí)到影響緊固件選擇的重要強(qiáng)度因素，從而為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中更準(zhǔn)確的選用合適的緊固件提供必要幫助。

[1]姜波.飛機(jī)檢測與維修實(shí)用手冊.吉林科學(xué)出版社, 2003.

[2]王旭.航空緊固件在民機(jī)上的應(yīng)用，2006.

Key factors of stress for selection of fastners on civil aircraft

Cao Feilong
Shanghai Aircraft Design And Research Institute, COMAC, Shanghai 200232

V229.1

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.044

AbstractLarge numbers of fasteners are fixed on the civil aircraft.To select a suitable fastener,many factors are needed to take into consideration.This article makes clear some key factors, accordingly it’s useful for designers to select suitable fastners more accurately.

Keywordsfastner;civil aircraft;key factor;to select