飞机结构连接设计

1、连接设计连接设计 简 介 连接的作用是将载荷从一个结构件传递到另外一个元件。连接的作用是将载荷从一个结构件传递到另外一个元件。 连接由连接由加强件加强件、被加强件被加强件和和紧固件紧固件组成，是结构加强修组成，是结构加强修 理的基本组成部分。理的基本组成部分。 作为基本的结构加强形式，连接是恢复由于损伤导致损作为基本的结构加强形式，连接是恢复由于损伤导致损 坏的结构件原始载荷传递途径的基本方法。坏的结构件原始载荷传递途径的基本方法。 结构修理的连接需要满足结构修理设计要求结构修理的连接需要满足结构修理设计要求静强度静强度、 耐久性耐久性和和损伤容限损伤容限。 第八节 紧固件的选取 飞机结构修理

2、中紧固件类型的选取飞机结构修理中紧固件类型的选取 英制飞机的紧固件直径都是以1/32英寸为单位递增， 同时以1/64英寸为单位提供加大直径的紧固件，最大可 以加大到3/64英寸。 厚度小于0.08 in的构件，用同类型同尺寸紧固件修理。 厚度大于或等于0.08 in的构件： 如果原紧固件是铆钉，则修理时使用如果原紧固件是铆钉，则修理时使用1/32 in过尺寸过尺寸Hi - lok螺栓（孔和紧固件都加大螺栓（孔和紧固件都加大1/32 in）。）。 如果原紧固件是如果原紧固件是Hi-lok螺栓，则修理时使用螺栓，则修理时使用1/64 in过尺过尺 寸寸Hi - lok螺栓（孔和紧固件都加大螺栓（孔

3、和紧固件都加大1/64 in）。）。 飞机结构修理中紧固件类型的选取飞机结构修理中紧固件类型的选取 如果需要使用紧固件的位置上没有紧固件孔，根据以 下准则选取紧固件类型： 选用与周围部位相同的紧固件类型和牌号。 当需要传递较高的拉伸或剪切载荷时，通常采用螺 栓类紧固件。 铆钉的承拉能力低。当需要紧固件承受较高的拉力 时，应采用螺栓类紧固件。 当传递较低的分布剪切载荷时，一般选用普通实芯 铆钉。 当做临时性修理时， 可在允许的部位采用盲铆钉。 当被连接件为合金钢件时，应采用钢紧固件。 不要在同一部位或同一行中混合使用不同类型的紧 固件。 选用螺栓时应注意的几个问题选用螺栓时应注意的几个问题 根据

4、受力大小及状态选用螺栓： 当螺栓主要承受拉伸载荷时，选用抗拉螺栓 和螺帽。 当螺栓主要承受剪切载荷时，选用抗剪螺栓 和螺帽，它们不能承受高的拉伸载荷。 镀镉螺栓和螺钉不能用于温度超过450的 地方。 螺栓与孔的接触面处应无螺纹，否则易在孔 边产生疲劳裂纹。 安装干涉配合螺栓或销钉时，要注意干涉量 的要求，一般在0.002 0.004 in之间。 选用螺栓时应注意的几个问题选用螺栓时应注意的几个问题 对于承受高拉伸载荷的螺栓，装配时应在螺栓 头下面和螺帽下面放垫圈。 对于主要承力结构的连接，不要使用直径小于 0.25 in的螺栓和直径小于3/16 in的Hi-lok紧固件， 因为它们易产生拉伸屈

5、服。 当需要借原螺栓孔时，一般应扩孔，将螺栓直 径加大1级。 承受和传递动载荷的螺栓、螺帽，要有保险措 施。 在钢、不锈钢、钛合金构件上使用Hi-lok紧固 件时，紧固件必须安装在精绞孔中；铝合金件 上，Hi-lok紧固件过渡配合。 铆钉类型和牌号的选取铆钉类型和牌号的选取 铆钉材料选取 尽量选用与被连接件材料相同的紧固件。 外场铆钉：2117-T3铆钉 冰箱铆钉：2017-T3、2024-T31铆钉 决不能用同直径的2117-T3铆钉代替2024-T31 铆钉。 铆钉类型和牌号的选取铆钉类型和牌号的选取 铆钉直径的确定 当借用原铆钉孔或更换旧铆钉时，一般应将 铆钉加大1级或2级。 根据周围受

6、力状态和受力大小大致相同部位 上的铆钉直径来确定所需的铆钉直径。 使铆钉直径等于或稍大于被连接件中较厚板 的3倍板厚。 在受力结构上不能使用直径小于0.156 in （5/32 in）的铆钉。 若计算出的铆钉直径太大，则应改用螺栓。 选择铆钉直径时，一般要求钉杆的剪切许用 值大于钉孔的挤压许用值。 铆钉头类型的确定铆钉头类型的确定 参考周围区域上的铆钉头类型确定所选用的铆 钉头类型。 对于要求光滑气动外形的部位，应当使用埋头 铆钉。 没有气动光滑性要求的部位，一般采用通用型 铆钉头，因为采用凸头铆钉，孔的挤压强度高。 当需要采用埋头紧固件时，埋头窝深度与板厚 之比最大不超过0.8。 铆钉杆长度

7、的确定铆钉杆长度的确定 确定铆钉杆长度时，必须首先确定被连接件的 叠合厚度（铆接厚度）。 钉杆长度 = 铆接厚度 + 1.5倍钉杆直径 第九节 铆钉的布置 与铆钉间距和边距相关的结构件静强度破坏模式有结构 件拉伸失效、结构件撕裂失效以及结构件挤压失效。 由于铆钉孔的应力集中效应，铆钉间距和边距还严重影 响到结构件的疲劳寿命。 结构修理铆钉的间距一般用铆钉孔的平均直径D的倍数 来表达。 铆钉有两种排列方式：交错排列和平行排列。 交错排列一般用于需要进行液体或者气体密封的结构， 如油箱边界结构等。 交错排列与平行排列方式对应的铆钉最大间距不同。 铆钉排列不当导致的静强度失效 铆钉的排列方式 （a）

8、平行排列（）平行排列（b）交错排列）交错排列 一、一、 最大间距最大间距 铆钉间距过大，结构承受挤压载荷时可能导致紧固件之 间发生永久性失稳变形。 铆钉间距越大，结构失稳的可能性就越大。 如果结构件传递的载荷主要类型为挤压载荷，大于6 D 的间距一般是不能接受的。 导致紧固件之间结构失稳的临界应力不仅与铆钉间距有 关，还与结构材料类型、材料厚度有关。 为防止补强片在两相邻紧固件间产生局部失稳，应根据 补强片的厚度确定合理的铆钉间距（表3.9-1，取自 B737-200 SRM 51-40-4） 铆钉间距（in）补强片厚度（in） 最大0.750.050 0.750.840.056 0.840.

9、940.063 0.941.060.071 1.061.200.080 1.201.350.090 1.351.500.100 1.501.680.112 1.681.770.125 表3.9-1 补强件厚度与铆钉间距之间的协调关系 二、二、 最小行距最小行距 铆钉孔之间的行距小于要求的最小行距时，铆钉孔之间 的结构件会发生撕裂破坏。 对于平行排列铆钉，最小行距可以按照图示方法计算。 一般来说，对于平行排列铆钉，如果行距不小于3D，可 以避免结构铆钉孔之间的撕裂失效。 对于交错排列铆钉，最小行距Lmin等于2D。 铆钉最小行距计算方法 三、最小列距三、最小列距 紧固件的列距小于极限最小值后，会

10、导致结构修理区域 的结构件拉伸失效。 如果铆钉孔的列距过小，铆钉孔应力集中区域的应力会 互相叠加，导致铆钉孔边缘处的应力水平进一步上升。 铆钉孔的列距过小会降低铆钉孔的耐久性，加快疲劳裂 纹的产生。 疲劳敏感区域的重要结构修理，例如机身舱门等大开口 周围结构、机翼下表面蒙皮壁板结构等等，要保证紧固 件的列距不能小于4D。 对于次要或者非疲劳敏感结构，可以按照图示方法计算 允许的最小列距Lmin。 紧固件孔之间的应力集中叠加示意图 非疲劳敏感结构最小列距计算方法 四、铆钉边距要求四、铆钉边距要求 铆钉边距大于铆钉边距大于4D，被连接件的边缘容易发生翘曲。，被连接件的边缘容易发生翘曲。 与载荷方向

11、垂直的边距与载荷方向垂直的边距 铆钉孔会在与载荷方向垂直的结构件中产生应力集中 区域。 铆钉边距小于最小铆钉边距，还会严重影响被连接件 的耐久性（图3.9-4）。 对于疲劳敏感的结构件，要求铆钉孔的最小边距为 2.5D。 对于其他结构要求，铆钉孔的最小边距为2.0D。 与载荷方向平行的边距与载荷方向平行的边距 可参照图示方法计算最小边距。 图3.7-4 铆钉边距对耐久性的影响 与载荷方向平行的最小边距计算方法 波音公司对与传力路线垂直边距的规定 对于疲劳问题不严重部位 ： 对于疲劳问题严重部位 ： 采用2D边距 边距小于2D，大于1.5D，也是可以接受的。 采2.5D边距 紧固件孔挤压强化，构

12、件边界喷丸，大于 1.5D的边距可以接受。 边距小于1.5D，需加强修理。 第十节 紧固件孔质量与铆接质量要求、 结构修理中的硬点效应 一、紧固件孔的质量要求一、紧固件孔的质量要求 孔边去毛刺。 钻头合适，钻头直径比铆钉名义直径大0.0020.004in。 先钻小导孔，扩孔到再所需尺寸。扩孔可去毛刺。 钻头垂直于加工件，不许有“8”字孔。 钢、不锈钢或钛合金钻孔安装Hi-Lok或锁螺栓时，必 须是精铰孔而不是过渡配合孔。 在铝合金构件中安装受拉紧固件时，应采用过渡配合 孔（从0.002 in的松动量到0.003 in的干涉量）。 二、铆接质量二、铆接质量 顶铁形状和重量要合适。 顶铁顶面与钉杆

13、要垂直。 铆枪压力调节要合适。 埋头铆钉的埋头窝与板厚（锪窝板）之 比应在0.67左右，最大不超过0.8。 当埋头窝深度大于被锪窝材料厚度的2/3时， 就会出现刀刃。 当存在埋头刀刃时，板件的疲劳寿命仅为采 用凸头紧固件时的22%。 图3.10-1 紧固件的埋头窝孔 使用载荷 飞机结构在使用中承受的载荷为 使用载荷，它小于极限载荷 飞机结构在使用载荷作用下，各结构件产生弹 性变形 在弹性范围内，紧固件力的分布规律（图3.8- 1）两头大，中间小 影响紧固件力分布的主要因素： 三、弹性范围内，紧固件力的分布规律 沿传力路线，紧固件越多，紧固件力分布的不均 匀性越大 紧固件间距和刚度越大，则紧固件

14、力分布的不均 匀性越大 当两被连接件的厚度不相等时，紧固件力的分布 是不对称的（图3.8-2） 四、弹性范围内，紧固件力分布的不均匀性 对静强度没有影响 在极限载荷（设计载荷）作用下，被连接 件和紧固件进入塑性状态，紧固件力趋于 均匀化，各紧固件同时产生静力破坏 五、弹性范围内，紧固件力的不均匀性对疲 劳强度有明显的影响（图3.8-1） 六、硬点效应 紧固件力随加强件厚度的增加，紧固件力 分布的不均匀性越大（图3.8-2） “硬点效应” （图3.8-3）加强件越厚， 硬点效应就越显著 五、降低“硬点效应”的措施 （1）避免采用刚度过大的构件，修理结构的损伤区 （2）加强件采用台阶过渡的形式 加强件末端最小厚度为0.040 in 加强件末端最大厚度为原构件厚度的1/3或0.063in （3）加强件设计成斜面形式 最佳斜率：大