民用飞机紧固件选用概述
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摘要
飞机上大量使用了各类紧固件，紧固件的正确选用对飞机的安全性与经济性具有重大意义，本文对航空紧固件的选用原则进行了总结，介绍了民用飞机上紧固件的应用情况，详细总结了紧固件选用的设计流程以及需要考虑的因素，以使设计人员在选用紧固件时有一个宏观的概念，对从事飞机研发的工程人员有一定的参考价值。
关键词
紧固件;民用飞机;选用流程;连接
中图分类号： G633.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.72
0 引言
民用飞机上所使用的紧固件必须满足民用航空适航标准FAR25、CCAR25相关条款的要求。通常，民机标准件相关的设计部门会根据已有民机上的使用经验、供应商提供的紧固件适航符合性资料以及可被采购的情况，为结构、强度等其他设计部门提供出《XX型号飞机紧固件选用目录》。除非特殊情况（需向标准化部门申请），工程设计人员均应在该目录中选择合适的紧固件，本文将就设计人员如何合理地选用紧固件进行阐述。
1 紧固件的分类
通常，紧固件一般分为螺栓、螺钉、高锁、铆钉等，铆钉又包括环槽铆钉、抽芯铆钉和实心铆钉。牛春匀先生将这些紧固件又笼统分为永久性紧固件和可拆卸紧固件两大类。而按照FAA认可的分类方法，MMPDS将民用飞机上使用的机械紧固件分为五类，螺纹连接类紧固件、可锻套环型紧固件、盲紧固件、实心铆钉和特殊型紧固件。螺纹连接类紧固件包括了螺栓和螺钉，均属于可拆卸紧固件;可锻套环型紧固件包括高锁和环槽铆钉，属于永久性紧固件;盲紧固件指抽芯铆钉等单面操作的紧固件。
2 紧固件选用注意事项
螺栓的可靠性较高，大多由高强度合金钢或钛合金制备，常用于承受高剪切、高拉伸或拉剪复合载荷的部位，例如平尾悬挂接头与机身框的连接、设计分离面处对拉角盒的连接等。常选用8号以上螺栓（即直径大于0.25 in），为保证飞机连接具有良好的疲劳性能，选用螺栓时需同时明确拧紧力矩。
螺钉常用于需要经常拆卸的次承载结构的连接中，如维修口盖、设备等。
高锁螺栓自锁能力高且具有较高的稳定预紧力。高锁可实现单面拧紧，其重量轻利于减重，被大量用于飞机结构连接中。环槽铆钉的强度较高、耐疲劳性良好，但需要有足够的安装空间，常用于零件状态下紧固件的安装，如复材壁板共固化长桁边缘的防分层紧固件的安装等。
抽芯铆钉由于可靠性较低，一般不应用在主要承载的结构上;单面操作是其特点，因此常用于不开敞、一面不可达的部位，如APU周向防火墙的安装。
实心铆钉是民用飞机上使用量最大的紧固件，其具有价格低廉、连接可靠性高、易于自动化装配等特点。民用飞机上铆钉一般不允许抗拉，只能承受剪力。由于铆钉安装时会造成钉孔挤压膨胀，严禁用于复合材料的连接。
3 紧固件选用的设计流程
紧固件选用的设计流程如图1所示。
首先要根据周围结构的传力路径、被连接件的结构形式和受载情况，确定选用抗拉还是抗剪的紧固件。按强度等级分为140Ksi、160～180Ksi、180～220Ksi、220～250Ksi等，对于飞机上一些承受较大拉剪复合载荷的重要传力部位的连接，螺栓的选用需满足式（1）所示的工程算法并且有一定的裕度。目前世界主流的民用飞机，都大量采用了NAS6000、NAS7000系列的紧公差螺纹，与孔配合更好、载荷传递更均匀，疲劳强度更好。
式中：x为剪切载荷;y为拉伸载荷;a为紧固件的剪切许用值;b为紧固件的拉伸许用值。
然后根据安装位置处是否有齐平度要求决定选用凸头还是沉头紧固件，如飞机机身、机翼壁板外表面属于气动表面，该处的紧固件都应选沉头，通常选用100沉头铆钉，沉头高度不大于壁板厚度的2/3或锪窝后剩余厚度至少大于0.5mm。若厚度不满足要求，可增加凹陷垫圈。
接下来，根据被连接结构的材料，并结合安装部位所处的环境，综合考虑紧固件的材料及表面涂层。传统民用飞机主要采用金属结构，特别是高强度铝合金材料，紧固件的材料较容易选择，通常采用同电位的经阳极化处理后的铝制紧固件。而先进民用飞机中碳纤维复合材料结构件占比越来越大，复合材料的电化学活性最小，用于复材件装配的紧固件需重点考虑异电位防护，与之相容性较好的是钛合金材料的紧固件，其次是高温合金，避免使用铝合金材料的紧固件。复合材料相关的电化学防腐蚀的措施有紧固件湿安装、增加垫片用于隔离、复材零件装配区域增加玻璃布等。安装位置在高温区以及高温影响区的紧固件，还需考虑紧固件在高温环境下的承载能力，推荐使用镍基合金、A286、钛铌合金、钛合金等材料的紧固件。需注意带有镀银涂层的高温合金螺母与裸钛螺栓配合使用会产生银脆现象，应当避免。
选用紧固件时还需要考虑安装结构件的维修维护性，对于一些维修口盖、系统设备等结构件，通常要设计成易于拆卸的形式，可选用螺栓或螺钉，或配合托板螺母使用。
另外，安装部位周围施工的条件、工厂的装配顺序等，也会影响紧固件的选择，例如，位于闭角区的紧固件往往存在拧紧工具无法施工的情况，需工程设计人员留意。装配机身各部段时，在型架上，通常先定位框、梁，然后装配壁板，此时，部分内部结构件的装配有可能只允许单面操作甚至只能采用抽芯铆钉，比如APU周向防火墙。
在剩余备选紧固件中，需综合考虑成本因素。选择其他部位常用的紧固件将有利于供应商及时采购或调配资源。
4 结论
紧固件的选用需综合考虑强度、气动要求、結构防腐、工艺性、维修维护、成本等多方面的因素，本文概述了民用飞机上紧固件的应用情况，梳理了紧固件选用的流程，为民机设计人员在选用紧固件时提供参考。
参考文献
[1]牛春匀.实用飞机结构工程设计[M].北京：国防工业出版社，1983.
[2]Metallic Materials Properties Development and Standardization（MMPDS）.
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