民用飛機上緊固件的重要強度選用原則

曹飛龍

中國商飛上海飛機設計研究院，上海 200232

民用飛機上緊固件的重要強度選用原則

曹飛龍

中國商飛上海飛機設計研究院，上海 200232

民用飛機上緊固件種類數量繁多，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度因素做探討，從而為設計人員在設計中更準確的選用合適的緊固件提供幫助。

民用飛機；緊固件；選用

引言

民用飛機上緊固件種類數量繁多，按緊固件類型劃分，機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，對飛機結構零件緊固連接不適用。螺釘與結構件連接力小，連接不牢固，易松動，在承載連接中一般不采用。鉚釘連接是機械連接中工藝最簡單、成本最低、增重最少的連接方式。金屬結構連接中，鉚接廣泛應用。在需要重復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構件連接。

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，而重點對民機上使用廣泛的承載緊固件鉚釘和螺栓進行分析。

在承載緊固件中，如何選擇合適的緊固件進行結構連接，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[2]：

1 )民機項目中選用的緊固件必須滿足民用航空適航標準CCAR25及FAR25相關條款要求；

2 )優先選用有使用經驗的緊固件，保證飛機的可靠性，安全性及先進性；

3 )在滿足設計的前提下，盡量選用成本低的緊固件，且盡量減少緊固件的品種與規格，保證可采購性。

在滿足上述基本選用原則的基礎上，承載緊固件的選擇需要進一步的考慮結構的可達性和強度的可靠性。結構的可達性指結構安裝、檢查、維修時必須要能方便有效的對結構件進行相應操作。強度的可靠性指結構在連接好后必須要保證連接的強度能夠滿足結構在其工作范圍內任何情況下的靜強度和疲勞強度要求。

下文對結構連接的強度可靠性進行詳細研究。

1 緊固件選用的強度要求

結構的內力決定了結構的連接強度要求，由此決定著結構件尺寸、緊固件數量及排列方式等細節。因此，了解清楚結構的傳力路徑及內力分布是進行緊固件選擇的重要前提。必須根據結構的受力特點、受力大小來布置相應的受拉、受剪、拉剪結合等類型的承載緊固件。在緊固件的布置過程中，以下幾個方面是保證結構連接強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，可能會導致緊固件孔與結構邊緣之產生以下兩種形式的破壞，如圖1,圖2所示。

圖1 短邊距引起的結構剪切破壞

圖2 短邊距引起的結構拉伸破壞

當結構件上的載荷方向與短邊距方向相同時，短邊距可能引起結構剪切破壞，需要用下面的公式偏保守的計算結構的剪切破壞承載能力：

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

式中：

Fsu—結構材料的極限剪切強度；

t—材料厚度；

ED—邊距；

D—釘孔直徑。

并將結構的剪切破壞承載能力與緊固件的剪切許用值[p]進行比較，只有當Ps>[p]時結構才不會剪切破壞。

當結構件上的載荷方向與短邊距方向垂直時，短邊距可能引起結構拉伸破壞，需要用下面的公式偏保守的計算結構的拉伸破壞承載能力：

Pt=(Ftu).2C.t

式中：

Ftu—結構材料的極限拉伸強度；

t—材料厚度；

C—邊距；

并將結構的拉伸破壞承載能力與緊固件的剪切許用值[p]進行比較，只有當Pt>[p]時結構才不會拉伸破壞。

2）緊固件間距

緊固件間距通常要求在4D～6D。當緊固件間距小于4D，可能會導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，需要用以下公式偏保守的計算結構的剪切破壞承載能力：

并將結構的剪切破壞承載能力與緊固件的剪切許用值[p]進行比較，只有當Ps2>[p]時結構才不會剪切破壞。

3 )緊固件排列方式

兩排以上的緊固件連接，各排釘孔應盡可能平行排列，此時疲勞強度較高；采用交錯排列，靜強度略高。

圖4 緊固件排列方式

如圖3所示，當兩排釘間角度θ=45°，表示兩排釘交錯排布；當θ=90°，表示兩排釘并排排布。由釘孔應力集中系數可以看出，兩排釘孔并排排布時的應力集中系數要明顯比兩排釘孔交錯排布時小，并排排布疲勞裕度相對會更好。

4 )端頭緊固件

離載荷最近的緊固件處被連接構件的厚度應該足夠小以保證在緊固件剪斷以前先發生擠壓破壞。否則，當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，從而導致疲勞破壞。應該采用斜削、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）比其余緊固件承擔的載荷要小。

2 結語

本文就緊固件選擇中需要考慮的重要強度因素進行了探討，使設計人員在設計中認識到影響緊固件選擇的重要強度因素，從而為設計人員在設計中更準確的選用合適的緊固件提供必要幫助。

[1]姜波.飛機檢測與維修實用手冊.吉林科學出版社, 2003.

[2]王旭.航空緊固件在民機上的應用，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