NASA-STD-5020航天器用螺纹紧固系统要求标准简介

温楠　侯崇强　刘长栋　编译

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

NASA-STD-5020航天器用螺纹紧固系统要求标准简介

温楠侯崇强刘长栋编译

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

文摘：介绍NASA-STD-5020《航天器用螺纹紧固系统要求》标准的适用范围、主要内容，包括总体要求、设计要求及考虑因素、螺纹紧固系统分析准则、质量保证等，对标准的实施作了说明。

螺纹紧固系统；设计载荷；紧固系统分析；NASA。

NASA（美国国家航空航天局）历来重视航天飞行器用紧固件的设计及使用工作，在这方面编制和发布了多个手册和标准，如1990年编制出版了NASA-RP-1228《紧固件设计手册》，总结其紧固件设计选用经验，主要内容涵盖紧固件材料选择、表面处理、润滑、腐蚀、锁紧方法、垫圈、镶嵌件、螺纹类型和等级、疲劳载荷及紧固件扭矩等方面。1999年出版的航天机构手册中，专门有一章讲述紧固件方面内容，涵盖螺纹紧固件设计、锁紧装置、快卸紧固件设计、不可拆卸紧固件设计等方面内容。NASA于 2012年发布了NASA-STD-5020《航天器用螺纹紧固系统要求》，该标准体现了NASA对航天器用螺纹紧固系统 （threaded fastening system，指包含外螺纹紧固件如螺栓、内螺纹紧固件如螺母或镶嵌件以及包含垫圈在内的被连接件）的最新要求，并且标准涵盖设计、分析、质量保证等环节，有较高的参考和学习价值。

NASA-STD-5020标准正文包括 7个部分，分别为范围、引用文件、缩略语及定义、总体要求、设计要求及考虑因素、螺纹紧固系统分析准则、质量保证。正文之外还包括4个附录 （由于篇幅原因，本文不作进一步的介绍），分别为紧固件分析准则解释与澄清、锁紧特性最佳实例、低风险疲劳分类的理由、参考文献。以下对适用范围和总体要求进行概要说明，并对设计及考虑因素、螺纹紧固系统分析准则以及质量保证等内容分别进行介绍。

1　标准的适用范围及总体要求

1.1适用范围

NASA-STD-5020标准适用于所有的NASA项目和工程，也适用于对断裂控制、非金属结构、非标准紧固件以及舱外活动 （EVA）用紧固件提出额外要求。但同时明确提到，该标准不一定适用于地面支持设备。

1.2总体要求

标准中的 “总体要求”一章从5个部分提出要求：强度、断裂控制和疲劳寿命、连接分离、锁紧特性、紧固系统控制计划。

1.2.1强度

在强度设计时要使用安全因子 （相应结构装配标准给出的）以及补充因子 （考虑螺栓连接件各部分强度和分离情况，分析对载荷路径和应力的不确定性）。另外，对极限设计载荷、屈服设计载荷进行了规定，要求所有的螺纹紧固系统应当承受极限设计载荷以及预期环境下的最大载荷而不断裂，所有的螺纹紧固系统应当承受屈服设计载荷以及预期环境下的最大载荷而不能屈服。

1.2.2断裂控制和疲劳寿命

所有的螺纹紧固系统应当能经受服役寿命和服役环境而不断裂或疲劳失效。服役寿命可以通过NASA-STD-5019中规定的裂纹扩展分析，或者特定结构要求中规定的疲劳分析因子和服役寿命因子的疲劳分析，亦或特定结构要求中规定的服役寿命因子的疲劳试验进行确认。

1.2.3连接分离

使用螺纹紧固系统的机械连接应当能承受最高和最低工作温度条件下的设计分离载荷而不发生分离。连接分离安全因子应乘以一个补充因子。对于关键连接，如果连接分离会导致人员丧生、人身伤害或灾难性结构失效，则连接分离安全因子应为1.4或极限安全因子的较大值，否则，应为1.2或屈服安全因子的较大值。如果不是关键连接，则分离安全因子应为1.0。

1.2.4锁紧特性

不考虑预紧力的大小，航天器用螺纹紧固系统应至少采用一个不依赖于预紧力的锁紧特性，并对锁紧特性进行验证。对于使用时需要转动的螺栓连接，应选用机械锁紧。

1.2.5紧固系统控制计划

设计人员应在初始需求审查或相类似的节点审查时向技术权威提交一份紧固系统控制计划，包括：如何满足NASA-STD-5020标准的要求；包含的其它组织在设计、分析、紧固件安装以及验证方面的要求和准则；为确保质量和完整性所依据或参考的工艺文件。

2　设计要求及考虑因素

在设计要求及考虑因素方面，标准主要从8个方面进行要求：材料、润滑剂与涂层及密封剂规范、螺纹型式的兼容性、垫圈及螺栓孔倒角的使用、锁紧特性、螺纹啮合、尺寸和公差、紧固件安装规范及控制以及安装扭矩规范与控制。

2.1材料

螺纹紧固系统所用材料应满足NASA-STD-6016《航天器标准材料和工艺要求》。标准的注释说明中指出，对于螺纹紧固系统，主要的材料问题包括咬死、腐蚀、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、放气和原子氧的影响。

2.2润滑剂、涂层及密封剂规范

所有用于螺纹紧固系统的润滑剂、涂层、密封剂及其使用过程，都应参考NASA-STD-6016的规定，并在工程文件中进行说明和控制。

2.3螺纹牙形的兼容性

相互配合的螺纹紧固件应有相互兼容的螺纹牙形。标准给出了几种不兼容的螺纹组合实例，如细牙螺纹配粗牙螺纹、英制螺纹配公制螺纹，这种配合螺纹具有相同的螺距和不同的公称直径，如果外螺纹为UNJ螺纹、内螺纹就为UN螺纹，如果外螺纹为MJ螺纹、内螺纹就为M螺纹。

2.4垫圈及螺栓孔倒角的使用

标准要求工程文件中应将垫片的类型、位置以及允许使用的数量都详细列出。应通过在螺栓头下配用倒角光孔或锥孔垫圈，为头下圆角留有足够的公差，以避免干涉。

2.5锁紧特性

标准给出了两条要求，分别为：锁紧特性及安装过程，包括检验方法应在工程文件中指明；当使用胶粘剂锁紧时，在使用前应编制安装工艺并经确认，以确保胶粘剂固化、粘着及锁紧特性均如预期。

2.6螺纹啮合、尺寸和公差

尺寸、公差和紧固系统应当在工程文件中说明以控制螺纹啮合长度选择、螺纹连接选择避免干涉等方面的问题。图1给出了标准中所列的紧固件尺寸方面考虑的因素。标准规定，为了避免螺纹脱扣这种严重的失效模式发生，除了螺母、托板螺母或者镶嵌件，内螺纹连接件的螺纹啮合长度应进行选择以确保完整螺纹的最小啮合数，以便紧固件在脱扣前发生拉伸失效。这样既便于维修，也可增加失效紧固件被检测到的可能性。

图1　在紧固件选择方面的尺寸考虑

2.7紧固件安装规范及控制

安装过程中达到预紧力的常规方法是通过控制安装扭矩，在紧固系统预安装后通过控制螺母或者螺栓头的旋转角度、测量紧固件的长度变化、在紧固件上使用应变片等方法进行控制。工程图样和安装规程中，应指定并控制安装方法和参数来达到相应的预紧力。

2.8安装扭矩规范与控制

该部分适用于预紧力由扭矩控制产生的情况。一是，工程文件应当指定安装扭矩范围或者指定一个定义了安装扭矩范围的适用标准；二是，工程文件应当清楚标出安装扭矩是否为总扭矩减去自锁力矩。

3　螺纹紧固系统分析准则

标准主要从5个方面对螺纹紧固系统分析准则作了规定：名义、最大、最小预紧力，极限设计载荷下的强度，屈服设计载荷下的强度，连接滑移分析和连接分离分析。其中连接滑移分析无正文要求。

3.1名义、最大、最小预紧力

螺纹紧固系统分析应关注最大和最小预紧力，并考虑由于初始预紧力施加方式、松弛、蠕变和温度影响造成的预紧力变化。在计算最小预紧力时，全金属部件连接由于松弛导致的预紧力衰减为5%，连接中含有非金属部件或涂层时，应通过试验确定衰减量。

名义初始预紧力计算应有至少6组试验数据作为支撑，以确定初始预紧力与安装过程控制参数 （力矩、螺母转角、加载角度或螺栓伸长）之间的关系。

对关键连接，用于计算最小初始预紧力的不确定性 （散差）应在90%概率和置信度95%（双边分布）的统计基础上选取。采用力矩控制时，润滑和无润滑时预紧力散差分别取25%和35%，或者由实际试验测得；采用螺母法和转角法控制时，预紧力散差取25%或者由实际试验测得；采用螺栓伸长法时，预紧力散差取10%或者由实际试验测得。

3.2极限设计载荷下的强度

3.2.1拉应力下的极限强度分析

极限设计载荷的分析应考虑螺纹紧固系统中所有组成部分的潜在断裂风险，包括紧固件、内螺纹零件如螺母、镶嵌件以及被连接件。

如果分离先于断裂发生，则拉伸载荷的极限安全余量MSu为：

其中：Ptu-allow为许用极限拉应力；PtL为极限拉应力；FF为补充因子；FSu为极限安全因子。

如果断裂先于分离发生，则拉伸载荷的极限安全余量MSu为：

其中：P′tu为施加的拉应力导致紧固件超出其许用极限拉伸载荷，使得在连接件分离前即发生断裂。

3.2.2剪应力下的极限强度分析

剪应力下的极限强度分析是在基于摩擦面不承受剪切载荷的假设基础上进行的，并根据螺纹是否在剪切面内，采用不同的公式对螺栓许用剪切载荷进行计算。剪切载荷的极限安全余量MSu为：

其中：Psu-allow为许用极限剪切载荷；PsL为极限剪应力。

3.2.3拉剪弯复合应力作用下的极限强度分析

对于同时承受拉伸、剪切载荷及弯曲载荷的螺栓，在进行分析时，应考虑各应力间的相互影响。对于剪切平面不在螺纹段时，标准给出了不考虑塑性弯曲以及考虑塑性弯曲时应分别满足相应公式的要求，这里由于篇幅原因就不再赘述。

3.3屈服设计载荷下的强度

如果在承受小于设计分离载荷，紧固件发生屈服导致连接分离，或者承受小于设计剪切载荷，紧固件发生屈服导致连接产生破坏性滑移，或者存在其它有害的可导致紧固件屈服的设计因素，应通过分析确定，在考虑最大预紧力与屈服设计拉伸载荷的情况下，紧固件的总拉伸载荷不超过许用屈服拉伸载荷。

3.4连接分离分析

在最小预紧力假设下，连接分离分析应表明拉伸载荷作用下螺纹紧固件系统均不会发生分离。对于要保持密封的连接，分析应表明在连接中的所有紧固件符合最小预紧力假设情况下，连接在设计分离载荷下符合密封要求。

4　质量保证

标准该部分指定了保证螺纹紧固件系统质量的要求。质量保证程序主要环节包括：内部程序和为保证原材料质量、紧固系统、工程设计、分析、制造、装配、试验进行的控制。主要要求有：应创建记载每个装配件安装过程和配置的记录；应对紧固件装配人员进行质量培训；装配工具和设备应在设计和校准范围内使用 （量程的20%～90%）；在使用前对装配工具和设备的校准状态进行核查；螺纹紧固件系统在安装前应检查其零件编号、清洁度和方向性是否与工程文件一致；不管是机械锁紧还是胶粘剂锁紧，都要对其锁紧特性进行验证；螺纹紧固系统的采购、接收检查和储存应满足NASA有关标准要求。

5　对标准的理解和说明

a）NASA-STD-5020标准主要针对航天器用螺纹紧固件提出设计和分析方面的具体要求，并通过附录的形式对紧固件分析准则、锁紧特性（有效力矩型、胶粘剂锁紧型、自由旋转型）最佳实践等进行详细的解释和说明，可以为型号研制人员在紧固件设计和分析方面提供较为系统的指导。

b）从NASA紧固件相关标准 （包括NASASTD-5020）来看，通过力矩法来进行紧固件装配时，均要考虑到预紧力散差对连接可靠性的影响。如NASA-STD-5020标准中就提到，对于特定的输入扭矩，其引起的预紧力会有一个带有平均值和标准差的正态分布与之对应，最好的办法是通过试验来摸出其分布情况。

NASA-STD-5020标准篇幅较长，本文只是对该标准的整体情况进行简单的介绍，无法对其涉及的所有技术内容进行深入的描述和分析。

目前，我国航天行业紧固件方面的标准多为通用规范及所对应的产品标准、试验方法类标准，或者极少数选用类、质量控制类标准，涉及包含紧固件设计、分析方法，且覆盖面较为全面的标准目前尚未见到。而紧固件设计、分析又恰恰是当前急需提高和改进的内容，因此建议尽快参考国外紧固件相关设计、分析方面的标准和文件，并在总结当前航天型号经验基础上，制定我国航天器用螺纹紧固件通用要求标准，固化国内外相关技术成果，进一步提高航天紧固件的设计和分析水平。

［1］Lewis Research Center.NASA-RP-1228，Fastener Design Manual［R］.Cleveland，Ohio. 1990.

［2］Glenn Research Center.NASA/TP-1999-206988，NASASpaceMechanismsHandbook［R］. Cleveland，Ohio.1999-07.

［3］National Aeronautics andSpaceAdministration.NASA-STD-5019，Fracture Control RequirementsforSpaceflightHardware［S］. Washington DC.2008-01.

［4］National Aeronautics andSpaceAdministration.NASA-STD-6016，StandardMaterials andProcessesRequirementsforSpacecraft ［S］.Washington DC.2008-07.

温楠 （1982年—），男，硕士/工程师，研究方向：标准件研究开发与检测。