飞机结构连接设计方案分析课件

连接设计连接设计1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。连接由加强件、被加强件和紧固件组成，是结构加强修理的基本组成部分。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——静强度、耐久性和损伤容限。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。2第八节紧固件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0.08in的构件，用同类型同尺寸紧固件修理。厚度大于或等于0.08in的构件：如果原紧固件是铆钉，则修理时使用1/32in过尺寸Hi-lok螺栓（孔和紧固件都加大1/32in）。如果原紧固件是Hi-lok螺栓，则修理时使用1/64in过尺寸Hi-lok螺栓（孔和紧固件都加大1/64in）。第八节紧固件的选取飞机结构修理中紧固件类型的选取3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。飞机结构修理中紧固件类型的选取4选用螺栓时应注意的几个问题根据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0.002~0.004in之间。

选用螺栓时应注意的几个问题5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0.25in的螺栓和直径小于3/16in的Hi-lok紧固件，因为它们易产生拉伸屈服。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。选用螺栓时应注意的几个问题6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、2024­T31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7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0.156in（5/32in）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。铆钉类型和牌号的选取8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倍钉杆直径铆钉头类型的确定9飞机结构连接设计方案分析10飞机结构连接设计方案分析11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。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12铆钉排列不当导致的静强度失效铆钉排列不当导致的静强度失效13铆钉的排列方式

（a）平行排列（b）交错排列铆钉的排列方式

（a）平行排列（b）交错排列14一、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6D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B737-200SRM51-40-4）一、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15铆钉间距（in）补强片厚度（in）最大0.750.0500.75~0.840.0560.84~0.940.0630.94~1.060.0711.06~1.200.0801.20~1.350.0901.35~1.500.1001.50~1.680.1121.68~1.770.125表3.9-1补强件厚度与铆钉间距之间的协调关系铆钉间距（in）补强片厚度（in）最大0.750.0500.16二、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。二、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17铆钉最小行距计算方法铆钉最小行距计算方法18三、最小列距紧固件的列距小于极限最小值后，会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。三、最小列距紧固件的列距小于极限最小值后，会导致结构修理区域19紧固件孔之间的应力集中叠加示意图紧固件孔之间的应力集中叠加示意图20非疲劳敏感结构最小列距计算方法非疲劳敏感结构最小列距计算方法21四、铆钉边距要求铆钉边距大于4D，被连接件的边缘容易发生翘曲。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可参照图示方法计算最小边距。四、铆钉边距要求铆钉边距大于4D，被连接件的边缘容易发生翘曲22

图3.7-4铆钉边距对耐久性的影响图3.7-4铆钉边距对耐久性的影响23与载荷方向平行的最小边距计算方法与载荷方向平行的最小边距计算方法24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。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25

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孔边去毛刺。钻头合适，钻头直径比铆钉名义直径大0.002~0.004in。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0.002in的松动量到0.003in的干涉量）。第十节紧固件孔质量与铆接质量要求、一、紧固件孔的质量要求26二、铆接质量顶铁形状和重量要合适。顶铁顶面与钉杆要垂直。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%。二、铆接质量顶铁形状和重量要合适。27图3.10-1紧固件的埋头窝孔图3.10-1紧固件的埋头窝孔28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）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29四、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30五、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0.040in

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：大于或等于20:1

（4）加强件采用叠层形式加强件厚度等于或大于0.10in

最内层加强件厚度最小为0.040in，最厚为原构件厚度的1/3或0.063in

每个台阶上至少有一个紧固件。台阶上的紧固件不在计算连接强度所要求的数目内五、降低“硬点效应”的措施

（1）避免采用刚度过大的构件，31图3.3-4“8”字孔对构件耐久性的影响图3.3-4“8”字孔对构件耐久性的影响32图3.8-1被连接件等厚度时，紧固件传递载荷的分配规律图3.8-1被连接件等厚度时，紧固件传递载荷的分配规律33

图3.8-2被连接件不等厚度时，紧固件传递载荷的分配规律图3.8-2被连接件不等厚度时，紧固件传递载荷的分配规34图3.8-3硬点效应对耐久性影响示意图图3.8-3硬点效应对耐久性影响示意图35连接设计连接设计36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。连接由加强件、被加强件和紧固件组成，是结构加强修理的基本组成部分。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——静强度、耐久性和损伤容限。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。37第八节紧固件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0.08in的构件，用同类型同尺寸紧固件修理。厚度大于或等于0.08in的构件：如果原紧固件是铆钉，则修理时使用1/32in过尺寸Hi-lok螺栓（孔和紧固件都加大1/32in）。如果原紧固件是Hi-lok螺栓，则修理时使用1/64in过尺寸Hi-lok螺栓（孔和紧固件都加大1/64in）。第八节紧固件的选取飞机结构修理中紧固件类型的选取38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。飞机结构修理中紧固件类型的选取39选用螺栓时应注意的几个问题根据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0.002~0.004in之间。

选用螺栓时应注意的几个问题40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0.25in的螺栓和直径小于3/16in的Hi-lok紧固件，因为它们易产生拉伸屈服。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。选用螺栓时应注意的几个问题41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、2024­T31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42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0.156in（5/32in）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。铆钉类型和牌号的选取43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倍钉杆直径铆钉头类型的确定44飞机结构连接设计方案分析45飞机结构连接设计方案分析46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。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47铆钉排列不当导致的静强度失效铆钉排列不当导致的静强度失效48铆钉的排列方式

（a）平行排列（b）交错排列铆钉的排列方式

（a）平行排列（b）交错排列49一、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6D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B737-200SRM51-40-4）一、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50铆钉间距（in）补强片厚度（in）最大0.750.0500.75~0.840.0560.84~0.940.0630.94~1.060.0711.06~1.200.0801.20~1.350.0901.35~1.500.1001.50~1.680.1121.68~1.770.125表3.9-1补强件厚度与铆钉间距之间的协调关系铆钉间距（in）补强片厚度（in）最大0.750.0500.51二、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。二、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52铆钉最小行距计算方法铆钉最小行距计算方法53三、最小列距紧固件的列距小于极限最小值后，会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。三、最小列距紧固件的列距小于极限最小值后，会导致结构修理区域54紧固件孔之间的应力集中叠加示意图紧固件孔之间的应力集中叠加示意图55非疲劳敏感结构最小列距计算方法非疲劳敏感结构最小列距计算方法56四、铆钉边距要求铆钉边距大于4D，被连接件的边缘容易发生翘曲。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可参照图示方法计算最小边距。四、铆钉边距要求铆钉边距大于4D，被连接件的边缘容易发生翘曲57

图3.7-4铆钉边距对耐久性的影响图3.7-4铆钉边距对耐久性的影响58与载荷方向平行的最小边距计算方法与载荷方向平行的最小边距计算方法59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。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60

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孔边去毛刺。钻头合适，钻头直径比铆钉名义直径大0.002~0.004in。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0.002in的松动量到0.003in的干涉量）。第十节紧固件孔质量与铆接质量要求、一、紧固件孔的质量要求61二、铆接质量顶铁形状和重量要合适。顶铁顶面与钉杆要垂直。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%。二、铆接质量顶铁形状和重量要合适。62图3.10-1紧固件的埋头窝孔图3.10-1紧固件的埋头窝