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[摘 要]航空紧固件在飞机设计过程中作为结构接头连接的纽带，起着举足轻重的作用。对民用飞机设计过程中紧固件的选用原则、步骤以及需要考虑的要素进行了阐述，为飞机设计人员正确选用紧固件提供了方法和依据。
[关键词]紧固件 选用原则 选用步骤 考虑要素
中图分类号：F320；P49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0063-01
飞机是由许多零组件构成的结合体。这些单独零组件要通过紧固件的连接，最终才能形成一架完整的飞机。一架空客飞机有100万以上个铆钉和约30万个螺栓；一架典型的双通道飞机（如A330/A340）的机身和机翼上，紧固件大约有40万件。由此可见，紧固件看似渺小，在飞机结构中的作用却是非常重要的，在某种程度上，飞机上紧固件的正确选用关系到整个飞机的安全性和先进性。
1 紧固件的选用原则
选用合适的紧固件应该确保预期的结构性能，可以接受的重量和成本并且方便生产。选用紧固件时主要遵循以下三个原则：
首先，民机设计中选用的紧固件必须满足民用航空适航条例相关条款要求。
其次，优先选用先进机型有使用经验的紧固件，保证飞机的可靠性、安全性及先进性。
最后，在满足设计要求的前提下，应该选用成本低的紧固件，且尽量减少紧固件的品种与规格，以便于采购和车间的管理。
2 紧固件的选用步骤
在飞机设计中，首先需要编制《紧固件选用目录》，并以此为依据对紧固件的选用进行控制。设计中选用的紧固件必须在选用范围内，不允许超出目录范围。通常选择紧固件的过程分两步：
首先，选择一组常见的几何构型的紧固件并选择其材料使其符合飞机用途，也就是形成紧固件优先选用目录。
其次，从该组目录中选出最适合于专门技术条件的紧固件。[1]
如果在选用目录中没有找到所需要的紧固件，可以把需要的紧固件清单提交给工程标准部门，经过批准验证后方可使用。
3 紧固件的分类
紧固件按功能可分为8大类：螺栓和螺钉、垫圈、垫片及隔套、螺母和镶嵌件、托板螺母、实心铆钉、轻量级螺栓和钉套、盲紧固件、销及锁紧装置等。
螺栓和螺钉。飞机的螺栓和螺钉主要用于在结构件之间传递相对较大的剪切或拉伸载荷的可拆连接中。
垫圈、垫片及隔套。垫圈主要功能有：在拧紧螺母或螺栓时防止被连接件表面划伤；调节被连接件的夹层厚度；增大连接件的承压面积；改善连接件的疲劳性能。
螺母和镶嵌件。螺母大致可以分为两类：一种是用于抗拉螺栓上的抗拉螺母，如12角头螺母；另一种是用于抗剪螺栓（主要承受剪切载荷）上的抗剪螺母。镶嵌件是一种带有内螺纹的紧固件，其主要作用就是在强度较低的材料孔中与连接件配合作为内螺纹孔，与强度较高的紧固件配合使用。
托板螺母。托板螺母主要用在结构不开敞且无法使用工具对普通螺母进行安装的地方，一般先将其装于结构内部，连接时将螺栓拧入。
实心铆钉。由于安装简单（省去了制孔中的锪窝或划窝），尽量选用凸头铆钉。在需要光滑的空气动力面或凸头可能干涉相邻的结构或机构时，选用埋头铆钉。
轻量级螺栓和钉套。主要包括高锁螺栓和环槽铆钉及其相配合的钉套。这类紧固件属于高强度的紧固件，主要用于有高强度要求的地方。
盲紧固件。主要包括盲螺栓和盲铆钉。盲紧固件主要安装在结构不开敞且连接件一侧难于触及的地方，形成单面安装。盲螺栓的强度比盲铆钉高，且由于其可以形成大的底脚，适合用于复合材料连接。
销及锁紧装置。飞机设计中使用的销主要有开口销、圆柱销、快卸销等。
4 紧固件选择过程中需要考虑的设计要素
在选择紧固件的过程中，要保证所选用的紧固件符合如构型、配合、功能、可靠性、重量、成本、适航、客户要求以及机型特殊要求等诸多要素，这些要素具体可以分为以下几类：
（1）载荷的类型及大小。紧固件所经受的载荷主要包括拉伸载荷和剪切载荷。例如，实心铆钉和盲铆钉通常用在受剪处，且承受载荷较小，如载荷较大或受拉处则使用螺栓。
（2）结构材料。飞机上常用的结构材料主要分为金属材料和非金属材料。例如，相对于普通的金属结构连接，铝和钢等常用材料制成的紧固件与复合材料接触会产生电偶腐蚀，故选材上应选择与复合材料电位差较小的材料制成的紧固件，如钛合金、纯钛、钛铌合金等。
（3）连接可达性。在结构一侧无法触及或一侧结构不开敞的部位需要使用盲紧固件，如盲铆钉、盲螺栓和托板螺母等。
（4）使用环境。使用环境主要包括温度、湿度和腐蚀性流体。耐高温和耐腐蚀的紧固件材料主要有钛合金和不锈钢。钛紧固件主要用在承受高载荷传递的地方和高温区域和耐腐蚀区域，主要优点是重要的径向变形、较好干涉配合和较好的疲劳特性，重量比Monel和A-286更轻。
（5）电导率和磁导率。在要求导电处使用铜铆钉，但在铝合金结构中不要使用铜铆钉；在靠近如飞机罗盘及某些设备的周围或内部使用紧固件时，需要考虑紧固件的导磁率。
（6）重量。在满足使用性能的情况下，有效的减轻紧固件的重量，对于整机重量的减轻是有益的。减轻重量可以从紧固件构型设计来实现。例如，Hi-Lok高锁螺栓是Hi-Shear公司开发的一种用于飞机设计中的高强度紧固件，为了减轻紧固件的重量，Hi-Shear公司在Hi-Lok的基础上进行重新设计而开发出了Hi-Lite，Hi-Lite总长度减少了，螺纹到光杆的过渡区域减少了，重量得到减轻。
（7）成本。紧固件的成本包括本身成本和安装成本。在满足结构性能要求的情况下，尽量选择低成本的紧固件。
（8）外形。对于有表面气动特性要求处或者与周围零件发生干涉处必须使用埋头紧固件。
（9）可拆和重复使用，紧固件使用中是永久安装还是周期性拆卸。例如，如果要求可以拆卸并重复使用的地方就不能使用铆接类紧固件，而应该使用螺接类紧固件。
（10）维修。所有的紧固件安装还应考虑飞机在服役维修过程中便捷性。
（11）疲劳。要确保载荷均匀施加到所有紧固件上，即可提高连接的疲劳强度。通过干涉配合和紧固件孔的冷作加工改善疲劳寿命（改善由紧固件孔周围产生的残余压应力产生）。在连接中采用紧密容差的孔并采用干涉配合的紧固件，例如在蒙皮对接时，铆钉及高锁螺栓与相应的钉孔配合将采用干涉配合，以获得连接处高的疲劳寿命。
（12）应力集中。结构连接的应力集中是难以避免的。选用紧固件系统和需要在结构临界疲劳处制孔时需要特别注意。
（13）混合使用紧固件。应该避免螺栓或螺钉与铆钉或者干涉配合紧固件混合使用的连接。由于铆钉在安装过程中钉杆产生径向膨胀，与孔的配合属于紧配合，而螺栓与孔的配合相对较松，如果两者同时用于连接中，在消除螺栓与螺孔的间隙之前铆钉会先承受载荷而螺栓不受载，这样容易使铆钉过载并可能导致其提前破坏。
（14）库存、来源以及交付时间。紧固件的库存是否充足，是否有多种来源，交付期限是否能满足飞机设计的节点要求等都是应该考虑的因素。例如，此前波音787客机试飞迟迟没有进展的主要原因就是紧固件短缺。
（15）特殊要求。根据不同机型飞机的具体设计要求来选择紧固件。如某些机型出于环保考虑禁止使用镀镉和镀铬紧固件。
总之，结构设计中选择紧固件时，要综合考虑影响紧固件选择的所有要素，要聯合强度、标准、材料和工艺等专业一起来完成。
5 结束语
综上所述，在飞机设计选择紧固件的过程中，设计人员要权衡多项要素之间的关系，使这些要素达到最优的结合，只有这样，才能说在这架飞机或部件上选用的紧固件是合理先进的，才能提高整个航空工业的飞机设计水平。
参考文献：
[1] 牛春匀.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1983，4.
作者简介：
林树德（1986-），男，辽宁省沈阳市人，工程师，学士，研究方向：航空标准件应用技术。
[关键词]紧固件 选用原则 选用步骤 考虑要素
中图分类号：F320；P49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0063-01
飞机是由许多零组件构成的结合体。这些单独零组件要通过紧固件的连接，最终才能形成一架完整的飞机。一架空客飞机有100万以上个铆钉和约30万个螺栓；一架典型的双通道飞机（如A330/A340）的机身和机翼上，紧固件大约有40万件。由此可见，紧固件看似渺小，在飞机结构中的作用却是非常重要的，在某种程度上，飞机上紧固件的正确选用关系到整个飞机的安全性和先进性。
1 紧固件的选用原则
选用合适的紧固件应该确保预期的结构性能，可以接受的重量和成本并且方便生产。选用紧固件时主要遵循以下三个原则：
首先，民机设计中选用的紧固件必须满足民用航空适航条例相关条款要求。
其次，优先选用先进机型有使用经验的紧固件，保证飞机的可靠性、安全性及先进性。
最后，在满足设计要求的前提下，应该选用成本低的紧固件，且尽量减少紧固件的品种与规格，以便于采购和车间的管理。
2 紧固件的选用步骤
在飞机设计中，首先需要编制《紧固件选用目录》，并以此为依据对紧固件的选用进行控制。设计中选用的紧固件必须在选用范围内，不允许超出目录范围。通常选择紧固件的过程分两步：
首先，选择一组常见的几何构型的紧固件并选择其材料使其符合飞机用途，也就是形成紧固件优先选用目录。
其次，从该组目录中选出最适合于专门技术条件的紧固件。[1]
如果在选用目录中没有找到所需要的紧固件，可以把需要的紧固件清单提交给工程标准部门，经过批准验证后方可使用。
3 紧固件的分类
紧固件按功能可分为8大类：螺栓和螺钉、垫圈、垫片及隔套、螺母和镶嵌件、托板螺母、实心铆钉、轻量级螺栓和钉套、盲紧固件、销及锁紧装置等。
螺栓和螺钉。飞机的螺栓和螺钉主要用于在结构件之间传递相对较大的剪切或拉伸载荷的可拆连接中。
垫圈、垫片及隔套。垫圈主要功能有：在拧紧螺母或螺栓时防止被连接件表面划伤；调节被连接件的夹层厚度；增大连接件的承压面积；改善连接件的疲劳性能。
螺母和镶嵌件。螺母大致可以分为两类：一种是用于抗拉螺栓上的抗拉螺母，如12角头螺母；另一种是用于抗剪螺栓（主要承受剪切载荷）上的抗剪螺母。镶嵌件是一种带有内螺纹的紧固件，其主要作用就是在强度较低的材料孔中与连接件配合作为内螺纹孔，与强度较高的紧固件配合使用。
托板螺母。托板螺母主要用在结构不开敞且无法使用工具对普通螺母进行安装的地方，一般先将其装于结构内部，连接时将螺栓拧入。
实心铆钉。由于安装简单（省去了制孔中的锪窝或划窝），尽量选用凸头铆钉。在需要光滑的空气动力面或凸头可能干涉相邻的结构或机构时，选用埋头铆钉。
轻量级螺栓和钉套。主要包括高锁螺栓和环槽铆钉及其相配合的钉套。这类紧固件属于高强度的紧固件，主要用于有高强度要求的地方。
盲紧固件。主要包括盲螺栓和盲铆钉。盲紧固件主要安装在结构不开敞且连接件一侧难于触及的地方，形成单面安装。盲螺栓的强度比盲铆钉高，且由于其可以形成大的底脚，适合用于复合材料连接。
销及锁紧装置。飞机设计中使用的销主要有开口销、圆柱销、快卸销等。
4 紧固件选择过程中需要考虑的设计要素
在选择紧固件的过程中，要保证所选用的紧固件符合如构型、配合、功能、可靠性、重量、成本、适航、客户要求以及机型特殊要求等诸多要素，这些要素具体可以分为以下几类：
（1）载荷的类型及大小。紧固件所经受的载荷主要包括拉伸载荷和剪切载荷。例如，实心铆钉和盲铆钉通常用在受剪处，且承受载荷较小，如载荷较大或受拉处则使用螺栓。
（2）结构材料。飞机上常用的结构材料主要分为金属材料和非金属材料。例如，相对于普通的金属结构连接，铝和钢等常用材料制成的紧固件与复合材料接触会产生电偶腐蚀，故选材上应选择与复合材料电位差较小的材料制成的紧固件，如钛合金、纯钛、钛铌合金等。
（3）连接可达性。在结构一侧无法触及或一侧结构不开敞的部位需要使用盲紧固件，如盲铆钉、盲螺栓和托板螺母等。
（4）使用环境。使用环境主要包括温度、湿度和腐蚀性流体。耐高温和耐腐蚀的紧固件材料主要有钛合金和不锈钢。钛紧固件主要用在承受高载荷传递的地方和高温区域和耐腐蚀区域，主要优点是重要的径向变形、较好干涉配合和较好的疲劳特性，重量比Monel和A-286更轻。
（5）电导率和磁导率。在要求导电处使用铜铆钉，但在铝合金结构中不要使用铜铆钉；在靠近如飞机罗盘及某些设备的周围或内部使用紧固件时，需要考虑紧固件的导磁率。
（6）重量。在满足使用性能的情况下，有效的减轻紧固件的重量，对于整机重量的减轻是有益的。减轻重量可以从紧固件构型设计来实现。例如，Hi-Lok高锁螺栓是Hi-Shear公司开发的一种用于飞机设计中的高强度紧固件，为了减轻紧固件的重量，Hi-Shear公司在Hi-Lok的基础上进行重新设计而开发出了Hi-Lite，Hi-Lite总长度减少了，螺纹到光杆的过渡区域减少了，重量得到减轻。
（7）成本。紧固件的成本包括本身成本和安装成本。在满足结构性能要求的情况下，尽量选择低成本的紧固件。
（8）外形。对于有表面气动特性要求处或者与周围零件发生干涉处必须使用埋头紧固件。
（9）可拆和重复使用，紧固件使用中是永久安装还是周期性拆卸。例如，如果要求可以拆卸并重复使用的地方就不能使用铆接类紧固件，而应该使用螺接类紧固件。
（10）维修。所有的紧固件安装还应考虑飞机在服役维修过程中便捷性。
（11）疲劳。要确保载荷均匀施加到所有紧固件上，即可提高连接的疲劳强度。通过干涉配合和紧固件孔的冷作加工改善疲劳寿命（改善由紧固件孔周围产生的残余压应力产生）。在连接中采用紧密容差的孔并采用干涉配合的紧固件，例如在蒙皮对接时，铆钉及高锁螺栓与相应的钉孔配合将采用干涉配合，以获得连接处高的疲劳寿命。
（12）应力集中。结构连接的应力集中是难以避免的。选用紧固件系统和需要在结构临界疲劳处制孔时需要特别注意。
（13）混合使用紧固件。应该避免螺栓或螺钉与铆钉或者干涉配合紧固件混合使用的连接。由于铆钉在安装过程中钉杆产生径向膨胀，与孔的配合属于紧配合，而螺栓与孔的配合相对较松，如果两者同时用于连接中，在消除螺栓与螺孔的间隙之前铆钉会先承受载荷而螺栓不受载，这样容易使铆钉过载并可能导致其提前破坏。
（14）库存、来源以及交付时间。紧固件的库存是否充足，是否有多种来源，交付期限是否能满足飞机设计的节点要求等都是应该考虑的因素。例如，此前波音787客机试飞迟迟没有进展的主要原因就是紧固件短缺。
（15）特殊要求。根据不同机型飞机的具体设计要求来选择紧固件。如某些机型出于环保考虑禁止使用镀镉和镀铬紧固件。
总之，结构设计中选择紧固件时，要综合考虑影响紧固件选择的所有要素，要聯合强度、标准、材料和工艺等专业一起来完成。
5 结束语
综上所述，在飞机设计选择紧固件的过程中，设计人员要权衡多项要素之间的关系，使这些要素达到最优的结合，只有这样，才能说在这架飞机或部件上选用的紧固件是合理先进的，才能提高整个航空工业的飞机设计水平。
参考文献：
[1] 牛春匀.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1983，4.
作者简介：
林树德（1986-），男，辽宁省沈阳市人，工程师，学士，研究方向：航空标准件应用技术。