民用飞机上紧固件的重要强度选用原则

曹飞龙

中国商飞上海飞机设计研究院，上海 200232

民用飞机上紧固件的重要强度选用原则

曹飞龙

中国商飞上海飞机设计研究院，上海 200232

民用飞机上紧固件种类数量繁多，如何选择合适的紧固件，需要考虑很多方面的因素。本文就紧固件选择中需要考虑的重要强度因素做探讨，从而为设计人员在设计中更准确的选用合适的紧固件提供帮助。

民用飞机；紧固件；选用

引言

民用飞机上紧固件种类数量繁多，按紧固件类型划分，机械连接通常采用的紧固件有4种：销钉、螺钉、铆钉和螺栓[1]。

销钉多用于耳片接头，对飞机结构零件紧固连接不适用。螺钉与结构件连接力小，连接不牢固，易松动，在承载连接中一般不采用。铆钉连接是机械连接中工艺最简单、成本最低、增重最少的连接方式。金属结构连接中，铆接广泛应用。在需要重复拆装和承载较大的部位，大都采用螺栓连接。螺栓连接适合较厚的结构件连接。

销钉和螺钉由于对承载连接中一般不采用，故本文不做分析，而重点对民机上使用广泛的承载紧固件铆钉和螺栓进行分析。

在承载紧固件中，如何选择合适的紧固件进行结构连接，需要考虑很多方面的因素。

最基本的选用原则，包括以下3点[2]：

1 )民机项目中选用的紧固件必须满足民用航空适航标准CCAR25及FAR25相关条款要求；

2 )优先选用有使用经验的紧固件，保证飞机的可靠性，安全性及先进性；

3 )在满足设计的前提下，尽量选用成本低的紧固件，且尽量减少紧固件的品种与规格，保证可采购性。

在满足上述基本选用原则的基础上，承载紧固件的选择需要进一步的考虑结构的可达性和强度的可靠性。结构的可达性指结构安装、检查、维修时必须要能方便有效的对结构件进行相应操作。强度的可靠性指结构在连接好后必须要保证连接的强度能够满足结构在其工作范围内任何情况下的静强度和疲劳强度要求。

下文对结构连接的强度可靠性进行详细研究。

1 紧固件选用的强度要求

结构的内力决定了结构的连接强度要求，由此决定着结构件尺寸、紧固件数量及排列方式等细节。因此，了解清楚结构的传力路径及内力分布是进行紧固件选择的重要前提。必须根据结构的受力特点、受力大小来布置相应的受拉、受剪、拉剪结合等类型的承载紧固件。在紧固件的布置过程中，以下几个方面是保证结构连接强度可靠性的重要因素：

1 )紧固件边距

紧固件边距通常要求大于紧固件两倍孔径(2D)。如果紧固件边距小于2D，可能会导致紧固件孔与结构边缘之产生以下两种形式的破坏，如图1,图2所示。

图1 短边距引起的结构剪切破坏

图2 短边距引起的结构拉伸破坏

当结构件上的载荷方向与短边距方向相同时，短边距可能引起结构剪切破坏，需要用下面的公式偏保守的计算结构的剪切破坏承载能力：

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

式中：

Fsu—结构材料的极限剪切强度；

t—材料厚度；

ED—边距；

D—钉孔直径。

并将结构的剪切破坏承载能力与紧固件的剪切许用值[p]进行比较，只有当Ps>[p]时结构才不会剪切破坏。

当结构件上的载荷方向与短边距方向垂直时，短边距可能引起结构拉伸破坏，需要用下面的公式偏保守的计算结构的拉伸破坏承载能力：

Pt=(Ftu).2C.t

式中：

Ftu—结构材料的极限拉伸强度；

t—材料厚度；

C—边距；

并将结构的拉伸破坏承载能力与紧固件的剪切许用值[p]进行比较，只有当Pt>[p]时结构才不会拉伸破坏。

2）紧固件间距

紧固件间距通常要求在4D～6D。当紧固件间距小于4D，可能会导致紧固件孔之间沿拉伸载荷平行方向剪切破坏，如图3所示。

图3 钉间撕裂破坏

钉间距小于4D时，需要用以下公式偏保守的计算结构的剪切破坏承载能力：

并将结构的剪切破坏承载能力与紧固件的剪切许用值[p]进行比较，只有当Ps2>[p]时结构才不会剪切破坏。

3 )紧固件排列方式

两排以上的紧固件连接，各排钉孔应尽可能平行排列，此时疲劳强度较高；采用交错排列，静强度略高。

图4 紧固件排列方式

如图3所示，当两排钉间角度θ=45°，表示两排钉交错排布；当θ=90°，表示两排钉并排排布。由钉孔应力集中系数可以看出，两排钉孔并排排布时的应力集中系数要明显比两排钉孔交错排布时小，并排排布疲劳裕度相对会更好。

4 )端头紧固件

离载荷最近的紧固件处被连接构件的厚度应该足够小以保证在紧固件剪断以前先发生挤压破坏。否则，当端头紧固件被剪断以后，其余紧固件特别是紧邻该剪断紧固件的紧固件承受的载荷将大大增加，从而导致疲劳破坏。应该采用斜削、阶梯厚度等方式使离载荷最近的紧固件（一般位于连接板或连接接头的端头）比其余紧固件承担的载荷要小。

2 结语

本文就紧固件选择中需要考虑的重要强度因素进行了探讨，使设计人员在设计中认识到影响紧固件选择的重要强度因素，从而为设计人员在设计中更准确的选用合适的紧固件提供必要帮助。

[1]姜波.飞机检测与维修实用手册.吉林科学出版社, 2003.

[2]王旭.航空紧固件在民机上的应用，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