螺栓預(yù)緊力在飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中的作用

石鵬飛++孫銳++胡斌

摘 要：在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中一些重要螺栓連接需要規(guī)定相應(yīng)的預(yù)緊力，文章通過理論分析得出了螺栓預(yù)緊力與夾層剛度比、擰緊力矩、連接面摩擦力等因素的關(guān)系，從而確定了螺栓預(yù)緊力對保證連接結(jié)構(gòu)結(jié)合的密封，增加螺栓的疲勞壽命、提高承剪連接接頭的疲勞等方面的重要作用，也對飛機(jī)結(jié)構(gòu)螺栓連接預(yù)緊力確定與控制提供了分類計算方法。

關(guān)鍵詞：預(yù)緊力；擰緊力矩；疲勞；剛度比

中圖分類號：V229 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0039-02

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中螺栓連接使用非常廣泛，一些重要螺栓的連接都規(guī)定了相應(yīng)的擰緊力矩。這是因為擰緊力矩對螺栓所產(chǎn)生的預(yù)緊力在保證結(jié)構(gòu)的結(jié)合及提高疲勞特性等功能中起著至關(guān)重要的作用。

1 螺栓預(yù)緊力在保證結(jié)構(gòu)結(jié)合中的作用

保證結(jié)合的必要條件是結(jié)構(gòu)件之間的結(jié)合不能分離。要使結(jié)合在工作載荷下不分離，螺栓連接需要的預(yù)緊力與連接所受的工作載荷及螺栓與被連接件的剛度有關(guān)。

當(dāng)螺母擰緊時，螺栓受到拉伸，被連接的夾層受到擠壓。隨著螺母的不斷擰緊，螺栓受到的拉力和夾層受到的壓力越來越大。正常情況下，螺栓受到的拉力和夾層受到的壓力數(shù)值是相等的。

但由于螺栓和夾層的剛度不同，當(dāng)連接受到工作載荷W時，螺栓繼續(xù)被拉長Δλb，夾層由于螺栓伸長而使壓縮小Δλj。兩者協(xié)調(diào)一致Δλb=Δλj。此時連接所受的工作載荷與螺栓所受的載荷是不同的。工作載荷不斷增加，夾層的壓縮不斷縮小，當(dāng)λj為零時，螺栓上所受的載荷P即為工作載荷W。此時預(yù)緊作用消失，結(jié)合分離?！敖Y(jié)合分離”對應(yīng)的工作載荷稱為結(jié)合的分離載荷WF。當(dāng)工作載荷大于WF時結(jié)合分離，無論從密封還是從疲勞的要求都是不允許的，因此我們必須知道分離載荷WF與預(yù)緊力P0的關(guān)系：

式（1）表示分離載荷WF大于預(yù)緊力P0，在預(yù)緊力一定時，剛度比越大，結(jié)合所能承受的分離載荷越大。下面具體分析在結(jié)合分離以前，螺栓受到的載荷P與工作載荷W之間的關(guān)系。

當(dāng)工作載荷小于分離載荷時，螺栓載荷等于預(yù)緊力與部分工作載荷之和。對于某個具體的螺栓連接，螺栓剛度與夾層剛度比r是一定的，式（2）或式（3）表明P與W是線性關(guān)系，其變化率為r/（1+r）。

當(dāng)工作載荷W等于分離載荷WF時，對應(yīng)的螺栓載荷P=P0+W（r/1+r），此時分離點(diǎn)為（P0（1+r），P0（1+r））。式2兩端除以P0，得：

可知：當(dāng)夾層剛度為零時剛度比r為無窮大，螺栓載荷等于預(yù)緊力加工作載荷。夾層剛度為零即可認(rèn)為夾層變形無窮大，所以連接不可能發(fā)生分離，當(dāng)然這是極限狀態(tài)，實(shí)際上并不存在?？梢赃@樣理解：用鋼螺栓把基層很軟的橡膠板連接在一起，擰緊后夾層產(chǎn)生很大變形，螺栓必須在工作中作用下產(chǎn)生同樣大的變形，才能使之分離，這幾乎是不可能的，因為要產(chǎn)生這么大的變形，螺栓早已經(jīng)斷裂，所以這種連接是不可分離的。

當(dāng)工作載荷W已知時，要求螺栓預(yù)緊力P0>W/（1+r），并要留有一定的余量。在剛度比r的計算中夾層厚度Cj至關(guān)重要，因為夾層受到的壓縮的截面積不是簡單的按螺栓頭或螺母底圓直徑來計算的。俄羅斯與美國對此有不同的計算方法，但二者都認(rèn)為零件在體積相當(dāng)于空心截圓錐體的范圍內(nèi)受到了螺栓加壓的影響。俄羅斯的波巴雷科夫在早期假設(shè)錐頂角為45°，但美國在進(jìn)行了光柵彈性研究后，認(rèn)為錐角應(yīng)在25°～33°之間。

為防止結(jié)合的分離，國外飛機(jī)設(shè)計公司對一些重要部位的螺栓連接，規(guī)定螺栓預(yù)緊力P0=0.7Pp（螺栓極限強(qiáng)度），在剩余強(qiáng)度等于1時，即設(shè)計載荷等于螺栓的極限強(qiáng)度Pp時，最大工作載荷W則為Pp/1.5（安全系數(shù)）。此時最大工作載荷接近預(yù)緊力：W/P0=（Pp/1.5）/1.7Pp=0.952，無論剛度比r多大，結(jié)合均不會發(fā)生分離。但結(jié)合不分離只是保證結(jié)合密封的必要條件，結(jié)合處貼合面的狀態(tài)（如粗糙度、平面度）也是影響貼合緊密及密封的重要因素。所以在貼合面涂以密封膠并在施工時擰緊螺栓，提高貼合面的平面度，也是保證結(jié)合密封的重要措施。

2 螺栓預(yù)緊力對螺栓疲勞壽命的作用

對于受拉為主的螺栓連接施加預(yù)緊力可以明顯提高螺栓疲勞壽命。在沒有預(yù)緊力的情況下，施以交變工作載荷W，其最大載荷為Pmax，平均載荷為Pm，載荷幅為Pa（Pa=W/2）最小載荷為零。在有預(yù)緊力的情況下，螺栓所受到的交變載荷幅值有很大的變化，可列如下公式：

上式表明在有預(yù)緊力的情況下，螺栓受到的交變載荷幅值縮小了若干倍。當(dāng)r在0.4～0.6范圍時，K=3.5～2.67。

由于預(yù)緊力的存在，平均載荷Pm也相應(yīng)增加，但是影響疲勞壽命的主要因素是Pa，而不是Pm，因此施加預(yù)緊力可以顯著提高螺栓疲勞壽命。以30CrMnSiA的螺栓為例：取預(yù)緊力σ0=0.7 σb=823.2MPa，剛度比r=0.6，疲勞載荷W=0.5σb，計算：

無預(yù)緊力情況，應(yīng)力幅σa=0.5W=30kg/mm2（294MPa），平均應(yīng)力σm=294MPa；

有預(yù)緊力情況，應(yīng)力幅σa=11.23kg/mm2=110MPa，平均應(yīng)力σm=931MPa；

根據(jù)相關(guān)資料，前者疲勞壽命小于105，后者疲勞壽命約106。因此有預(yù)緊力的情況下，適當(dāng)減小螺栓剛度有利于提高螺栓的疲勞壽命。

為提高螺栓聯(lián)接的疲勞壽命，對于螺栓擰緊力矩在螺栓中產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力的大小各國采用的數(shù)值不盡相同，美國波音公司規(guī)定σa=0.7σb≈0.8σ0.2（受拉螺栓）；俄羅斯、烏克蘭飛機(jī)公司規(guī)定σa=0.7σb；中國航空航天機(jī)械規(guī)定σa=（0.2～0.3）σb。

3 螺栓預(yù)緊力在承剪連接中的作用

在主要傳承剪切的連接中，一般采用緊配合的螺栓。螺栓受剪切，被連接件受拉，螺栓孔處產(chǎn)生應(yīng)力集中，螺栓邊距就顯得很重要。在這種連接主要是被連接件的疲勞，如果對螺栓施加預(yù)緊力，被連接件之間就會產(chǎn)生摩擦，此時接頭所傳遞的一部分載荷將由摩擦力傳遞，從而減輕了連接件載荷，也就減小了孔邊應(yīng)力集中，提高了連接的疲勞壽命。

現(xiàn)在從量上加以分析：對螺栓施加0.7倍螺栓拉斷載荷的預(yù)緊力P0=0.7Pp，在結(jié)合面上可以產(chǎn)生的摩擦力為（對于雙剪切F=2n0.7Ppf，n為螺栓個數(shù)，f為摩擦系數(shù)）。當(dāng)剩余強(qiáng)度為1時，n個螺栓可承受的剪切載荷為：

Q=2n0.6Ppf（一般取τb=0.6σb）

F/Q=0.7f/0.6=1.167f

F/Q=0.233（精加工表面，干摩擦f=0.2）

F/Q=0.35（精加工表面，干摩擦f=0.3）

可見，對于同一個傳剪切接頭，有預(yù)緊力和沒有預(yù)緊力的情況大不一樣，有預(yù)緊力時孔邊載荷減小約20%～35%，根據(jù)有關(guān)理論和試驗結(jié)果，在“DFR”不變的情況下，應(yīng)力水平降低20%，壽命可增加一倍。因此在承剪切的連接中對螺栓施加預(yù)緊力可以明顯提高接頭的疲勞壽命。

如果預(yù)緊力足夠大，連接面有足夠的摩擦力，螺栓可以采用間隙配合，但必須保證貼合面不能有相對位移，即使是微小的位移都會造成接觸面的損傷而降低疲勞強(qiáng)度。

綜上所述，螺栓的預(yù)緊力在飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中的作用不可忽視。對于螺栓預(yù)緊力的確定與控制，需要結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)結(jié)合特征，通過一系列試驗來獲得，建立適合于自身特點(diǎn)的計算公式或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而不要簡單地按已有的經(jīng)典公式計算。另外還要與現(xiàn)有工藝方法團(tuán)隊相結(jié)合，確定合理的預(yù)緊力控制范圍，從而提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體的連接性能。

注：“DFR”是指疲勞循環(huán)應(yīng)力比R為0.06時，結(jié)構(gòu)能夠承受105（95%可信度和95%可靠性）時對應(yīng)的最大名義應(yīng)力值。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]飛機(jī)設(shè)計手冊編委會.飛機(jī)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社.

[3]梁尚青，蘇愛民.航空結(jié)構(gòu)螺栓連接預(yù)緊力設(shè)計研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，25（09）：24-27.