民用飞机结构修理中加大紧固件问题强度分析研究

林明杰

摘 要：加大紧固件是民用飞机制造过程中常见的结构修理方法之一。本文梳理了结构修理中加大紧固件修理方法，分析了该问题的强度评估方法，提出了民用飞机加大紧固件问题强度评估流程。一系列关于加大紧固件问题的分析研究，对后续对该问题进行强度校核分析具有一定的指导意义。

关键词：结构修理 加大紧固件 强度分析

中图分类号：F562 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0021-02

民用飞机在制造过程中经常会用到加大紧固件的结构修理方法，用于处理孔径超差、局部连接强度不足等问题。加大紧固件是指在原有紧固件类型不变的情况，选用直径更大的紧固件。根据加大紧固件的不同使用情况，会产生不同的强度结果。因此，有必要针对加大紧固件进行相应的强度分析，以保证处置方法能够有效地解决工程问题。

本文针对民用飞机中常出现的加大紧固件问题进行了分析研究，提出了民用飞机加大紧固件问题的强度分析流程。

1 加大紧固件修理方法

加大紧固件是指在原有紧固件类型不变的情况，选用直径更大的紧固件，以解决制造过程中出现的孔径超差、局部连接强度不足等结构制造问题。

典型的紧固件孔示意如图1所示。对于埋头类紧固件而言，需要进行锪窝，因此紧固件孔包括锪窝和孔径两部分。对于非埋头紧固件，则没有窝径，只有孔径。

在结构修理过程中，如果该孔需要安装加大紧固件，则需要进行扩孔。如果该孔有锪窝，还需要按照加大紧固件的方法要求，制出相应的锪窝。

使用加大紧固件修理方法时，经常会出现端距、边距、间距等问题。因此在制定结构修理方案时，可以考虑进行借孔。一般情况下，对于有锪窝的紧固件孔而言，由于锪窝的限制，借孔之后的锪窝的孔可能会出现偏心，难以进行借孔。对于没有锪窝的紧固件孔而言，可以根据实际情况进行借孔，尽量减小可能出现的端距、边距、间距等问题。

2 加大紧固件强度评估方法

紧固件都有边距/端距和间隙要求。对于民用飞机中常见的金属零件而言，边距/端距要求通常为2倍的紧固件直径；间距要求通常为4～6倍的紧固件直径。

如图2所示，该图中的端距指的是与受力方向在一个方向的端头紧固件到零件边缘的距离，边距指的是与受力放在垂直的紧固件到零件边缘的距离，间距指的紧固件之间的距离。如果对孔1安装加大紧固件，则有可能会出现端距问题、和孔2之间的间距问题、边距问题；如果对孔2安装加大紧固件，则有可能会出现和孔1的间距问题、和孔3的间距问题、边距问题；孔3的情况和孔2类似。

按刚度分配计算加大紧固件所传递的载荷，首先计算加大紧固件后的紧固件载荷。

对于端距影响分析，承载按进行评估。

对于间距影响分析，承载按进行评估。

对于边距影响分析，承载按进行评估。

其中，FSU为极限剪切强度；T为材料厚度；W为边距；D为孔径；S为间距；FTU为极限拉伸强度；FB为旁路载荷；B为净边距。

通过上述评估，判断加大紧固件后的静强度是否满足要求，静强度裕度要求大于零。若裕度大于零，则说明加大紧固件的修理方法满足强度要求。若裕度小于零，则说明该修理方法无法保证静强度要求。

计算完静强度后，需要针对加大紧固件修理方法进行疲劳强度评估。疲劳强度的评估方法有很多种，通常分为应力疲劳分析方法和应变疲劳分析方法。应变疲劳分析方法适用于应力水平较高，所受载荷谱中高载对应的局部应力达到材料屈服应力的关键部位。民用飞机结构应力水平较低，一般采用应力疲劳分析方法，目前民机中应用的较多的是其中的细节疲劳额定值（DFR）法。

其中，为规定的典型结构对应的基本DFR值；A为孔充填系数；B为合金和表面处理系数；C为埋头深度系数；D为材料叠层系数；E为螺栓夹紧系数；U为凸台有效系数；RC为特殊疲劳系数。

在计算过程中，首先将紧固件简化为梁结构单元，并对梁结构单元的弹性模量进行修正，建立有限元模型，计算载荷传递系数，计算得到加大紧固件后的基本值。然后通过工程估算，选取对应的各系数参数值。

根据边距系数、端距系数和间距系数的最小值，对DFR值进行修正。最后判断加大紧固件后的疲劳强度是否满足要求，疲劳裕度要求大于零。

接下来需要进行损伤容限分析，获取出现制造偏离问题前该部位是否是损伤容限分析部位。如果对损伤容限有影响，则获取该分析部位及检查要求。

针对加大紧固件问题，分析时通过增大孔径分析参数来考虑孔径的影响，将分析模型中的初始孔径参数D改为加大紧固件孔径。损伤容限分析时考虑应力集中影响，可以增大应力放大因子，修改分析载荷谱的应力放大因子。根據损伤容限分析结果，判断加大紧固件后，该修理方案能否解决该制造偏离问题，对该区域结构的检查方案是否产生影响。

3 强度分析流程

在分析加大紧固件问题结构修理方案的基础上，本文对民用飞机中该问题的强度校核进行分析和研究，总结归纳了该类问题强度评估分析的一般流程，见图3。

该分析流程对前文的强度分析方法进行了归纳和梳理，在确定结构修理方案后，按照静强度、疲劳强度、损伤容限三大块进行分析。由于民用飞机中有大量紧固件，加大紧固件的修理方案也会有多种变化，当强度校核存在问题时，可以考虑对加大紧固件的直径、个数、排布进行调整。当静强度、疲劳强度、损伤容限都满足要求时，则说明结构修理方案是满足强度要求的合理方案。

4 结语

加大紧固件方法在民用飞机中应用广泛，在结构优化、制造偏离处理等环节都经常会用到。针对加大紧固件的强度评估方法也就显得愈加重要。本文针对加大紧固件强度分析方法进行了归纳总结，梳理出了加大紧固件问题的强度评估方法，并归纳了加大紧固件问题的强度评估流程，对该问题的强度分析校核具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 陶梅贞.现代飞机结构综合设计[M].西安：西北工业大学出版社，2001.

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