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航空结构中螺栓连接预紧力设计研究

人气:发表时间:2018年11月22日

航空结构中螺栓连接预紧力设计研究


  螺栓连接结构的稳定性、紧密性、防松能力以及螺栓强度和刚性都与螺栓预紧力有直接关系。预紧力的大小决定着螺栓连接结构中的各项属性。从理论上讲,螺栓预紧力越大,连接结构的使用寿命越长,越有利于连接结构的稳定。但实际工作当中如果预紧力过大,就会对连接结构造成一定的破坏,航空结构中包含许多精密的连接结构,因此,需要加强对航空结构中螺栓预紧力的研究,使其连接稳定而又不被破坏,进而提高整体的连接水平。

  1 航空结构中的螺栓预紧力

  1.1 航空结构中预紧力的作用


  适当控制预紧力的大小是提高航空结构连接质量的重要措施,螺栓预紧力在航空结构中主要有以下作用:第一,在飞机中经常有一些需要密封的结构,适当的预紧力可以使这些结构达到更好的密封效果;第二,适当的螺栓预紧力可以有效避免因机体震荡导致的螺栓结构松动、偏移甚至分离的情况;第三,连接结构的刚度会随着预紧力的增大而增大,当同一结构中螺栓连接的数量越多,该结构的刚性就越强,进而提升该结构的承载能力;第四,螺栓连接不会像焊接一样,产生较大的应力,因此,螺栓连接处的抗疲劳能力和承载能力会有效提高。

  1.2 预紧力过大产生的不良后果

  理论上,飞机连接结构会有一定的屈服强度,在螺栓连接没达到飞机结构的屈服点时,预紧力越大,连接结构就越稳定。但实际情况却并非如此,如果预紧力过大,首先会导致连接结构拆装不方便;其次,一些密封结构在螺栓与被连接件之间都会放置一个密封圈,预紧力过大会对密封圈造成破坏,影响密封效果;最后,预紧力过大会导致螺栓的螺纹变形,后期可能会因螺纹变形导致连接结构脱落。在实际的螺栓连接过程中,很多时候都是凭借施工人员的经验来确定预紧力的大小,因此会造成很大的预紧力误差,影响连接效果。所以,进行螺栓连接时,要经过科学的计算,确定预紧力大小,而后通过专业工具进行预紧力调节,进而使航空结构更加牢固。

  2 螺栓预紧力的确定

  2.1 拧紧力矩计算公式


  国际上知名飞机制造商波音公司对航空结构中的预紧力进行研究之后,得出以下结论:对于一般航空结构中用到的螺栓来说,预紧力的大小应该是其屈服载荷的一半左右,最多不能超过70%,但由于航空结构会受到飞机动载荷的影响,所以螺栓预紧力应该适当调低,选择在其屈服载荷的35%左右最为合适。航空结构螺栓预紧力的计算公式如下:

航空结构中螺栓连接预紧力设计研究

  其中:F 是螺栓预紧力;K1 表示为预紧力系数,一般情况下该系数在0.35 到0.7 之间选择;As 为螺栓的应力截面积;σs 为螺栓材料的屈服点。

  该公式只能在理论上对螺栓预紧力进行计算,实际工作中不可能准确的测得螺栓预紧力,进而无法实现精准控制。所以,实际工作中通常把预紧力公式进行转换,得到拧紧力矩的计算公式,从而通过控制拧紧力矩,实现对预紧力的控制。拧紧力矩主要指的是以下三种:第一,为了使螺栓连接结构产生预期的预紧力所需要的力矩;第二,为克服拧紧过程中产生的摩擦阻力所需要的力矩;第三,克服自锁机构阻力所需力矩。最终,根据拧紧力矩的类型,整理出螺栓拧紧力矩的理论计算公式:

航空结构中螺栓连接预紧力设计研究

  其中:F 表示为预期预紧力;M 是螺栓最终的拧紧力矩;d2 为螺纹中径;P 为螺距;μ1 被连接件与螺母之间的摩擦系数;μ2 为螺纹之间的摩擦系数;β 为螺纹牙形半角;λ为螺纹升角;ρ 为螺栓螺母螺纹之间的摩擦角;R 为螺母支承面外圆半径;r 为螺母支承面内圆半径。但是实际工作中如果按照(2)式计算螺栓的拧紧力矩会显得非常麻烦,因此,为了便于实际工程的计算,对(2)进行简化,最终得到下式:

航空结构中螺栓连接预紧力设计研究

  (3)式中:K2是拧紧力矩系数;F表示为预紧力,F为式(1)计算得到的;d为螺纹公称直径。

  2.2 拧紧力矩试验法

  经对上述公式的大量实验结果研究之后可以得出一条结论:通过公式(3)计算得出的力矩,在一般情况下都可以满足相关的工程要求。但由于航空结构对于稳定性与牢固性要求很高,所以为了得到准确的力矩,需要通过实验,对计算结果进行验证,具体方法如下:第一,按照式(1)计算出连接结构所需的预紧力F;第二,按照公式(1)的计算结果,计算出连接结构的力矩;第三,严格按照国家相关文件对连接结构中力矩的要求,进行实验,验证力矩和螺栓理论预紧力之间的误差。

  3 控制螺栓预紧力的主要方法

  3.1 转角法

  转角法是先通过一般的方式将螺栓拧紧,使被连接件与螺母贴合,之后再利用专业扳手,按照力学计算得出的旋紧角度对其进行进一步的旋紧,进而增加螺栓的延长量,提高预紧力。旋紧角度的大小是结合螺栓材质、被连接件材质以及相关的尺寸、预紧力大小决定的,除此之外,还要考虑螺栓与被连接件的弹性形变量以及初次旋紧的预紧力大小。因此,通过转角法控制螺栓预紧力时,除了会受到连接件材质刚性的影响之外,螺纹摩擦力、螺栓制造质量等因素均不会对其控制精度造成影响,该方法能够将预紧力的精度误差控制在15%以下,是目前能达到的预紧力精度最高的方法。

  3.2 力矩法

  力矩法的主要特点就是用扳手的力矩控制预紧力的大小,在实际工作中,工人借助专业的扭力扳手完成螺栓拧紧工作,拧紧时可以通过扳手上显示的力矩来对预紧力进行精准调节。在螺纹的拧紧过程中螺母与被连接件之间会产生摩擦力,螺纹之间也会产生一定的摩擦阻力,而扭力扳手显示的就是这两个力的和,因此,用力矩法来控制预紧力可以直观的了解到螺栓拧紧时产生的阻力,进而对预紧力进行精准的调节。但由于螺纹可能存在损伤,导致摩擦力是一个变量,因此,该方法能达到的预紧力精度较低,不适用要求较高的连接结构。

  3.3 拉伸法

  拉伸法指的是通过对螺栓进行加热,使其具有一定延展性,之后将其拉伸至连接需要的长度,在冷却之前拧紧螺母,完成连接。根据热胀冷缩的原理,螺栓在冷却之后,由于长度缩短,会大大增加预紧力。该方法可以产生巨大的预紧力,对于一些预紧力要求很高的场合来说非常适用。拉伸法除了会受到“拉伸量”影响之外,不会受到外界其他因素的影响,所以预紧效果也非常明显。例如,在连接M30的液压螺母时,通过拉伸法连接所达到的预紧力大约在37kN左右,远远超过了一般工具拧紧产生的预紧力。

  4 结语

  通过上述研究,我们可以发现,航空结构中很多部位都是通过螺栓连接的,螺栓预紧力与航空结构的整体水平有密切的关系。在实际工作中,相关工作人员需要针对不同强度要求的航空结构,采取相应的螺栓连接,经过科学、严谨的计算,得出预紧力的大小,不要一味的追求结构的稳定性而增大螺栓预紧力,有时反而会得不到预期的效果,影响航空结构的稳定。

  参考文献:

  [1]单喜军,秦丽华,邵春收.航天产品螺纹连接结构拧紧力矩研究[J].科技展望,2017,27(26):66.

  [2]石鹏飞,孙锐,胡斌.螺栓预紧力在飞机结构连接中的作用[J].科技创新与应用,2017(20):39-40.

  [3]谭建.螺栓预紧力对单双耳对接结构的影响分析[J].军民两用技术与产品,2017(14).

  [4]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).
        来源:易紧通

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