基于飞机结构装配的紧固件连接设计研究
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摘 要：飞机整体结构是通过飞机大部件装配而成，其中大部件的装配又是成千上万的紧固件连接起来的效果，飞机结构装配的紧固件连接设计是飞机结构设计的重要组成部分，关系到飞机的质量，飞行员与乘客的安全，是设计员在结构设计中重点关注的部分。飞机结构设计中的紧固件连接设计包括固定连接与活动连接两种，也就是狭义上所说的铆接与螺接。该文浅谈飞机结构装配中紧固件連接设计研究，以供交流。
关键词：飞机结构设计 紧固件连接设计 铆接与螺接
中图分类号：V262.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（a）-0065-02
理想的飞机结构是通过一种材料一次加工形成完整的整体，但是为了满足飞机维护、储存、修理等要求以及现有材料与工艺水平，飞机是由许多零部件组合而成的，飞机结构设计包括材料选择、零件设计、部件设计、复合材料设计等，其中零构件是通过机加、钣金、复合材料成型等工艺成形出来，它们要通过组合才能形成部件，多种部件组合形成一架完整飞机。飞机的组合就涉及装配过程中的紧固件连接设计，紧固件起到了桥梁的作用，毫无疑问，飞机紧固件的连接设计在飞机结构设计中占有非常重要的地位。常用的紧固件连接设计包括螺接与铆接[1-3]。
1 螺接设计
螺接比较广泛地应用于飞机装配设计中，包括螺栓连接与螺钉连接，其中，螺栓连接主要应用于受力较大的部位。其中包括机身前、中、后段之间的对接，机翼、中央翼、机身的对接;尾梁与机身对接，平尾、垂尾的安装，起落架与机身的连接，发动机舱与机翼的连接，结构各部分接头的连接以及选装设备与机身、机翼等部件连接等位置。螺钉连接主要应用于承力较小或者仅起可拆卸连接的部位，其中包括可拆卸壁板的连接，也包括大小口盖和易损换的结构部件等部位。
1.1 螺栓的分类
螺栓的连接方式中，螺栓的使用要根据飞机不同结构的不同受力方式采用不同的连接。螺栓常见的受力承拉或者承剪，要么就是两者结合的方式。这3种使用方式所使用的螺栓也是不同的，分别对应承拉螺栓、承剪螺栓和拉剪螺栓。螺栓连接中根据应用的连接部位不同又分为盲连接、密封连接、普通连接等，其中盲连接通常在结构中布置相应托板螺母或者嵌入件，密封连接通常应用在有密封要求的地方，譬如整体油箱、设备舱、客舱等。
1.2 材料
不管是哪一种螺接的设计，其材质都是重中之重，都必须要能够经受飞机飞行过程中所受到的力量。所以，对于材料的选择是非常重要的。现阶段螺栓与螺钉所用的材质大多是钢材质，以碳钢和合金钢为主，驾驶舱或者成品件也有部分螺钉是塑料材质，主要应用其质轻、防腐蚀等特点，仅起连接作用。
1.3 螺母和垫圈的选择
与螺栓螺钉相匹配的是螺母与垫圈的选择，飞机结构设计中常用的螺母种类是非常多的，像六角螺母、自锁螺母、托板螺母等多种多样的螺母。在使用螺母的过程中，一定要按照螺栓的需求选择合适的螺母。螺母的材质和螺栓的材质是一样的，这也会保证受力的一致。但是在实际的飞行过程中，螺母所承受的力量比螺栓要承受的力量要小，所以即使螺母的强度比螺栓螺钉低一级也是在允许的范围之内。紧密件结构垫圈的选择上，一般是采用合金材质的垫圈，钢材质的垫圈应用也比较广泛。除此之外还有功能性的弹簧垫圈等，主要起防磨、分散受力的效果[1-3]。
2 铆接设计
铆接是紧密件设计中非常重要的一部分，铆接的设计其原理就是将两块板通过铆钉进行连接，在飞机上占连接比例约为60%～80%，其中主要包括连接两两部件（无需拆卸）、连接蒙皮和骨架以及骨架与骨架之间的受力连接，壁板与蒙皮的连接等。
2.1 铆接在飞机紧密件设计的原则
铆接在紧密件设计中最重要的原则就是铆钉的布局。而铆钉有着单排、双排、三排、平行、交叉等多种排列方式，铆接的排列设计需要严格遵循相关的规范要求，根据实际的情况，设计出最优化的方案。一般来说，铆接的单排设计都是应用在蒙皮与腹板连接的结构中，双排设计应用在蒙皮与腹板的铆缝中。铆接方案的优劣直接影响紧固件部位连接的质量和抗疲劳性能[1-3]。
2.2 铆接的种类
铆接设计的种类一般来说，根据其功能的不同，分为普通铆接方式和干涉配合铆接方式，又根据其需求的不同分为密封铆接和特种铆接。这4种铆接方式各有各的优点，在飞机结构的各个部位都得到了不同的应用。比如密封铆接主要应用在飞机的密封结构中，例如：飞机的气密座舱、整体油箱、设备舱等。包括水上飞机的水密舱也是属于密封铆接的一种。干涉配合铆接主要是在要求比较高的组合件中存在，其可以在结构上实现均匀的干涉配合连接。特种铆接的方式现阶段一般有两种：一种是电磁铆接，一种是自动铆接。电磁铆接一般是运用在大直径的设备上，可以用来代替大型功率的压铆设备。自动铆接是基于自动铆接机，弥补传统的手工铆接因为技术和材料的局限，导致的紧密件连接中出现裂痕的不足。
3 紧固件设计的数字化与信息化
随着数字化与信息化技术在航空制造业内的应用与发展，飞机紧固件的设计和研究也需要融入信息化中，从而更高效、更准确地进行飞机紧固件设计研究。
3.1 全三维紧固件设计要求
飞机设计打样设计时应该制定对紧固件在飞机上安装时的选择和调入、安装和计算等一系列的设计要求规范，设计员根据相应标准进行信息化的紧固件设计，从而实现全信息技术化的设计理念。
3.2 MBD技术的研究
紧固件设计研究的而另一大方法就是MBD技术，通过对紧固件几何信息的分析和模型的建立，确定MBD技术在紧固件设计中的标准，这样就会得到强大的数据支撑，保证紧固件设计的准确性。
3.3 关联组合法研究
在紧固件的设计中，通过对紧固件之间匹配程度和使用上的要求，找出其中的关联点和规律，并且进行统计和分析，确定这些规律能够在系统中实现。这样既能够突破传统的设计理念，保证在紧固件的设计和安装上能够自动进行匹配，比如不同的紧固件的型号、结构的匹配度、制作的规律以及使用的位置和环境等;又能够根据这些统计结果对飞机紧固件系统进行完善，为得到通用性及实用性更强的飞机标准件数据库奠定基础。
3.4 紧固件设计系统的建立
以大型的客机作为研究对象，进行紧固件的设计研究，从而完善了服务于紧固件设计的系统，使得紧固件的设计规范化和统一化。例如：BOM统计，它能够实现对紧固件的统计和计算，也是在紧固件的设计中常用到的一个系统。BOM统计功能极其强大，不仅能够统计紧固件在设计中多用的数量，也能统计紧固件的重量，还可以统计紧固件在设计中需要承受的力量，最后还能生产零件的组合清单。
4 结语
紧固件连接设计是基于飞机结构装配的，在具体设计过程中要根据不同的装配部位，不同的受力形式选择合适的紧固件进行连接设计。飞机结构装配紧固件设计至关重要不容大意。设计员在进行紧固件连接设计时要从成本、重量及功能方面综合考虑，保证零部件的连接性，维护性，同时注意尽可能选择与主承力结构材料一致的紧固件，避免异种材料接触产生电化学腐蚀，复合材料铆接尽量采用抽铆，避免出现错误的连接方式导致装配连接设计不当。同时要充分利用数字化信息化方法，提高紧固件连接设计效率与精准度，建立一定的紧固件数据库，为飞机型号后续设计改进奠定基础。
参考文献
[1] 《飞机设计手册》总编委编.飞机设计手册第9册：荷载、强度和刚度[M].北京：航空工业出版社，2002.
[2] 朱虹，陈海龙，朱海兵，等.现代飞机结构中螺栓预紧力控制方法探讨[J].科学与信息化，2017（22）：42-43.
[3] 《飞机设计手册》总编委编.飞机设计手册第10册：荷载、强度和刚度[M].北京：航空工业出版社，2002.
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