基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的緊固件連接設(shè)計(jì)研究

王芳芳　黑東盛　趙嗣徽

摘? 要：飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)是通過飛機(jī)大部件裝配而成，其中大部件的裝配又是成千上萬(wàn)的緊固件連接起來(lái)的效果，飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的緊固件連接設(shè)計(jì)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，關(guān)系到飛機(jī)的質(zhì)量，飛行員與乘客的安全，是設(shè)計(jì)員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的部分。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的緊固件連接設(shè)計(jì)包括固定連接與活動(dòng)連接兩種，也就是狹義上所說(shuō)的鉚接與螺接。該文淺談飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配中緊固件連接設(shè)計(jì)研究，以供交流。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)? 緊固件連接設(shè)計(jì)? 鉚接與螺接

中圖分類號(hào)：V262.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）08（a）-0065-02

理想的飛機(jī)結(jié)構(gòu)是通過一種材料一次加工形成完整的整體，但是為了滿足飛機(jī)維護(hù)、儲(chǔ)存、修理等要求以及現(xiàn)有材料與工藝水平，飛機(jī)是由許多零部件組合而成的，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括材料選擇、零件設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)、復(fù)合材料設(shè)計(jì)等，其中零構(gòu)件是通過機(jī)加、鈑金、復(fù)合材料成型等工藝成形出來(lái)，它們要通過組合才能形成部件，多種部件組合形成一架完整飛機(jī)。飛機(jī)的組合就涉及裝配過程中的緊固件連接設(shè)計(jì)，緊固件起到了橋梁的作用，毫無(wú)疑問，飛機(jī)緊固件的連接設(shè)計(jì)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。常用的緊固件連接設(shè)計(jì)包括螺接與鉚接[1-3]。

1? 螺接設(shè)計(jì)

螺接比較廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)裝配設(shè)計(jì)中，包括螺栓連接與螺釘連接，其中，螺栓連接主要應(yīng)用于受力較大的部位。其中包括機(jī)身前、中、后段之間的對(duì)接，機(jī)翼、中央翼、機(jī)身的對(duì)接;尾梁與機(jī)身對(duì)接，平尾、垂尾的安裝，起落架與機(jī)身的連接，發(fā)動(dòng)機(jī)艙與機(jī)翼的連接，結(jié)構(gòu)各部分接頭的連接以及選裝設(shè)備與機(jī)身、機(jī)翼等部件連接等位置。螺釘連接主要應(yīng)用于承力較小或者僅起可拆卸連接的部位，其中包括可拆卸壁板的連接，也包括大小口蓋和易損換的結(jié)構(gòu)部件等部位。

1.1 螺栓的分類

螺栓的連接方式中，螺栓的使用要根據(jù)飛機(jī)不同結(jié)構(gòu)的不同受力方式采用不同的連接。螺栓常見的受力承拉或者承剪，要么就是兩者結(jié)合的方式。這3種使用方式所使用的螺栓也是不同的，分別對(duì)應(yīng)承拉螺栓、承剪螺栓和拉剪螺栓。螺栓連接中根據(jù)應(yīng)用的連接部位不同又分為盲連接、密封連接、普通連接等，其中盲連接通常在結(jié)構(gòu)中布置相應(yīng)托板螺母或者嵌入件，密封連接通常應(yīng)用在有密封要求的地方，譬如整體油箱、設(shè)備艙、客艙等。

1.2 材料

不管是哪一種螺接的設(shè)計(jì)，其材質(zhì)都是重中之重，都必須要能夠經(jīng)受飛機(jī)飛行過程中所受到的力量。所以，對(duì)于材料的選擇是非常重要的。現(xiàn)階段螺栓與螺釘所用的材質(zhì)大多是鋼材質(zhì)，以碳鋼和合金鋼為主，駕駛艙或者成品件也有部分螺釘是塑料材質(zhì)，主要應(yīng)用其質(zhì)輕、防腐蝕等特點(diǎn)，僅起連接作用。

1.3 螺母和墊圈的選擇

與螺栓螺釘相匹配的是螺母與墊圈的選擇，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的螺母種類是非常多的，像六角螺母、自鎖螺母、托板螺母等多種多樣的螺母。在使用螺母的過程中，一定要按照螺栓的需求選擇合適的螺母。螺母的材質(zhì)和螺栓的材質(zhì)是一樣的，這也會(huì)保證受力的一致。但是在實(shí)際的飛行過程中，螺母所承受的力量比螺栓要承受的力量要小，所以即使螺母的強(qiáng)度比螺栓螺釘?shù)鸵患?jí)也是在允許的范圍之內(nèi)。緊密件結(jié)構(gòu)墊圈的選擇上，一般是采用合金材質(zhì)的墊圈，鋼材質(zhì)的墊圈應(yīng)用也比較廣泛。除此之外還有功能性的彈簧墊圈等，主要起防磨、分散受力的效果[1-3]。

2? 鉚接設(shè)計(jì)

鉚接是緊密件設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，鉚接的設(shè)計(jì)其原理就是將兩塊板通過鉚釘進(jìn)行連接，在飛機(jī)上占連接比例約為60%～80%，其中主要包括連接兩兩部件（無(wú)需拆卸）、連接蒙皮和骨架以及骨架與骨架之間的受力連接，壁板與蒙皮的連接等。

2.1 鉚接在飛機(jī)緊密件設(shè)計(jì)的原則

鉚接在緊密件設(shè)計(jì)中最重要的原則就是鉚釘?shù)牟季?。而鉚釘有著單排、雙排、三排、平行、交叉等多種排列方式，鉚接的排列設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格遵循相關(guān)的規(guī)范要求，根據(jù)實(shí)際的情況，設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的方案。一般來(lái)說(shuō)，鉚接的單排設(shè)計(jì)都是應(yīng)用在蒙皮與腹板連接的結(jié)構(gòu)中，雙排設(shè)計(jì)應(yīng)用在蒙皮與腹板的鉚縫中。鉚接方案的優(yōu)劣直接影響緊固件部位連接的質(zhì)量和抗疲勞性能[1-3]。

2.2 鉚接的種類

鉚接設(shè)計(jì)的種類一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)其功能的不同，分為普通鉚接方式和干涉配合鉚接方式，又根據(jù)其需求的不同分為密封鉚接和特種鉚接。這4種鉚接方式各有各的優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位都得到了不同的應(yīng)用。比如密封鉚接主要應(yīng)用在飛機(jī)的密封結(jié)構(gòu)中，例如：飛機(jī)的氣密座艙、整體油箱、設(shè)備艙等。包括水上飛機(jī)的水密艙也是屬于密封鉚接的一種。干涉配合鉚接主要是在要求比較高的組合件中存在，其可以在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)均勻的干涉配合連接。特種鉚接的方式現(xiàn)階段一般有兩種：一種是電磁鉚接，一種是自動(dòng)鉚接。電磁鉚接一般是運(yùn)用在大直徑的設(shè)備上，可以用來(lái)代替大型功率的壓鉚設(shè)備。自動(dòng)鉚接是基于自動(dòng)鉚接機(jī)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的手工鉚接因?yàn)榧夹g(shù)和材料的局限，導(dǎo)致的緊密件連接中出現(xiàn)裂痕的不足。

3? 緊固件設(shè)計(jì)的數(shù)字化與信息化

隨著數(shù)字化與信息化技術(shù)在航空制造業(yè)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，飛機(jī)緊固件的設(shè)計(jì)和研究也需要融入信息化中，從而更高效、更準(zhǔn)確地進(jìn)行飛機(jī)緊固件設(shè)計(jì)研究。

3.1 全三維緊固件設(shè)計(jì)要求

飛機(jī)設(shè)計(jì)打樣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該制定對(duì)緊固件在飛機(jī)上安裝時(shí)的選擇和調(diào)入、安裝和計(jì)算等一系列的設(shè)計(jì)要求規(guī)范，設(shè)計(jì)員根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息化的緊固件設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)全信息技術(shù)化的設(shè)計(jì)理念。

3.2 MBD技術(shù)的研究

緊固件設(shè)計(jì)研究的而另一大方法就是MBD技術(shù)，通過對(duì)緊固件幾何信息的分析和模型的建立，確定MBD技術(shù)在緊固件設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)，這樣就會(huì)得到強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，保證緊固件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3.3 關(guān)聯(lián)組合法研究

在緊固件的設(shè)計(jì)中，通過對(duì)緊固件之間匹配程度和使用上的要求，找出其中的關(guān)聯(lián)點(diǎn)和規(guī)律，并且進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，確定這些規(guī)律能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。這樣既能夠突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，保證在緊固件的設(shè)計(jì)和安裝上能夠自動(dòng)進(jìn)行匹配，比如不同的緊固件的型號(hào)、結(jié)構(gòu)的匹配度、制作的規(guī)律以及使用的位置和環(huán)境等;又能夠根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)飛機(jī)緊固件系統(tǒng)進(jìn)行完善，為得到通用性及實(shí)用性更強(qiáng)的飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫(kù)奠定基礎(chǔ)。

3.4 緊固件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立

以大型的客機(jī)作為研究對(duì)象，進(jìn)行緊固件的設(shè)計(jì)研究，從而完善了服務(wù)于緊固件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，使得緊固件的設(shè)計(jì)規(guī)范化和統(tǒng)一化。例如：BOM統(tǒng)計(jì)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)緊固件的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，也是在緊固件的設(shè)計(jì)中常用到的一個(gè)系統(tǒng)。BOM統(tǒng)計(jì)功能極其強(qiáng)大，不僅能夠統(tǒng)計(jì)緊固件在設(shè)計(jì)中多用的數(shù)量，也能統(tǒng)計(jì)緊固件的重量，還可以統(tǒng)計(jì)緊固件在設(shè)計(jì)中需要承受的力量，最后還能生產(chǎn)零件的組合清單。

4? 結(jié)語(yǔ)

緊固件連接設(shè)計(jì)是基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的，在具體設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)不同的裝配部位，不同的受力形式選擇合適的緊固件進(jìn)行連接設(shè)計(jì)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配緊固件設(shè)計(jì)至關(guān)重要不容大意。設(shè)計(jì)員在進(jìn)行緊固件連接設(shè)計(jì)時(shí)要從成本、重量及功能方面綜合考慮，保證零部件的連接性，維護(hù)性，同時(shí)注意盡可能選擇與主承力結(jié)構(gòu)材料一致的緊固件，避免異種材料接觸產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，復(fù)合材料鉚接盡量采用抽鉚，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的連接方式導(dǎo)致裝配連接設(shè)計(jì)不當(dāng)。同時(shí)要充分利用數(shù)字化信息化方法，提高緊固件連接設(shè)計(jì)效率與精準(zhǔn)度，建立一定的緊固件數(shù)據(jù)庫(kù)，為飛機(jī)型號(hào)后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9冊(cè)：荷載、強(qiáng)度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2] 朱虹，陳海龍，朱海兵，等.現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中螺栓預(yù)緊力控制方法探討[J].科學(xué)與信息化，2017（22）：42-43.

[3] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第10冊(cè)：荷載、強(qiáng)度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.