結構應用中的航空緊固件

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以下文章來源於公眾號：西貝九日

設計飛機時需要考慮眾多的因素，其中最重要的就是結構安全性、壽命、重量、燃油效率和成本。機身和發動機的結構設計可以從上萬種材料中進行選擇，但是通常適用於飛機結構的材料不會超過一百種。造成這種數量有限的原因主要是因為飛機材料對重量、硬度、剛度、疲勞性、韌性、耐損傷、易於加工且成本效益高等多重因素的綜合考慮，因此是這些強制因素的存在，排除了絕大多數材料。

飛機的主要部件的材料都會承受一定的載荷力，比如機身在承載有效載荷時，可能會受到各種壓力，包括壓縮、拉伸、彎曲等，而機翼的上表面在飛行過程中受到壓縮，下表面受到拉緊。因此這些結構位置的材料除了具備一定的防腐蝕能力以外，還要在屈服強度、抗疲勞特性和斷裂韌性方面具有優勢，所以在機翼蒙皮、縱梁等結構使用的是2024和7075鋁合金。

飛機的裝配需要組裝大量部件，因此在選擇連接飛機部件的緊固件時涉及的變量可能很大。由於飛機要承受各種載荷和設計約束，因此需要大量由不同材料/強度製成的零部件。放眼整個飛機上應用最多的材料就是高強度鋁合金、鈦合金和碳纖維複合材料。

鋼材料的選擇範圍比較廣，碳鋼、合金鋼、不鏽鋼等，都可以根據不同的應用強度選擇不同強度等級的鋼。鋼的最大優勢是極高的強度、剛度和抗疲勞性，因此在起落架、機翼根部和機翼附件等位置的緊固件常選用鋼材料。

鈦合金的優勢在於既能解決所需的強度和耐久性問題，同時又兼顧不增加多餘的重量。我們最常見到的Ti-6Al-4V幾乎佔據鈦合金材料緊固件的半壁江山。其應用在機身、引擎上隨處可見。結構緊固件如高鎖螺栓和環槽釘大多是Ti-6Al-4V材料。通常當直徑不超過19mm時，Ti-6Al-4V都是螺栓最佳的材料選擇，而更大直徑時，通常是由鋼製成的。

鋁合金在緊固件材料中的應用，受到了其自身屈服應力低和易受腐蝕特性的影響，最常見的產品恐怕就是實心鉚釘了。實心鉚釘是最古老、最可靠的緊固件之一，也是所有結構緊固件中成本相對較低的。它和螺栓螺母相比，安裝速度更快、易於實現自動化安裝。但是鉚釘不適宜用於厚度較厚的連接以及拉伸應用，因為鉚釘的拉伸強度相對於其剪切強度而言非常低。此外，除非使用特殊的密封或塗層，否則鉚接的接頭既不密封也不防水。

實心鉚釘通常不用於複合材料，因為實心鉚釘在安裝過程中的膨脹會導致復材分層。而當下又是複合材料開始大量應用的階段。複合材料有很多優勢，最重要的就是減重，因此複合材料結構設計的過程對於緊固件的應用，無論是材料還是結構樣式都是一個巨大的挑戰……

實心鉚釘通常不用於複合材料，因為實心鉚釘在安裝過程中的膨脹會導致復材分層。緊固件的合理選用也是開發複合材料結構的主要挑戰，之所以被稱為是一種挑戰，關鍵在於複合材料的載荷能力相比於傳統金屬來說要降低一些，進而在複合材料上開孔會出現更加複雜的應用要求，而對於這些潛在的破壞因素的評估，顯然就是一種挑戰。

• 導電問題

對於傳統的金屬材料飛機來說，其材料本身就是一個導電的通路，並以此來應對飛機在雷電天氣下可能遇到的雷擊問題。但對於複合材料來說，卻是一個讓人頭疼的問題，雖然複合材料的導電能力可以通過嵌入材料來實現，這種技術雖然有助於保持閃電電流更加接近於飛機蒙皮的外表面，但並不會降低在安裝緊固件的位置處產生電弧的風險。這是因為如果採用機械連接，就必須在複合材料上制孔來安裝緊固件，而鑽孔會對閃電電流的流動通路產生破壞，在這種情況下，電流可能會「滲透」到飛機的子結構中，例如翼肋和翼梁。因此對於飛機設計來說，如何有效防止機翼油箱區內部產生電火花是設計的首要任務。

• 電化學腐蝕問題

碳纖維複合材料由於電位差的原因，在與鋁合金接觸時會發生電化學腐蝕，而且通過鹽霧試驗的測試可以看出這種腐蝕非常嚴重。在飛機結構上，目前採用碳纖維複合材料非常成熟的結構主要集中在機翼的控制面，比如副翼、升降舵等，在這些結構處通常都有鋁合金的鉸鏈連接配件，在這些應用環境中，碳纖維複合材料充當「原電池」的陰極，它會與相對較小的、可以充當陽極的金屬緊固件（包括螺栓、螺母、鉚釘等）發生接觸，從而形成一個完整的電化學通路，加速零部件的腐蝕速度。鈦合金（通常是Ti-6Al-4V）是用於碳纖維複合材料的典型緊固件材料，它們之間的電位差避免了這種電化學腐蝕的發生。

• 安裝工藝

對於選用結構應用的緊固件，除了考慮其自身的特性以外，還要把關注點放在緊固件的安裝工藝上。在碳纖維複合材料上安裝緊固件並比較於傳統的金屬應用，似乎要略微複雜一些，而複雜的地方又多集中於制孔階段。幹涉配合容易引起復材結構的分層，但是如果不選用幹涉配合又會降低接頭的疲勞強度。看似魚和熊掌不可兼得，但是如果控制得當，適當的幹涉量是可以接受的，而且現在有針對復材幹涉配合的襯套緊固件可以選用，其幹涉由襯套的膨脹產生，消除了應力可能導致的分層。

除了以上這三點以外，我們還需要關注的地方就是對於複合材料的探傷問題。複合材料說通俗一些就是把承受載荷能力比較強的加固材料嵌入到比較弱的基體材料中，形成一種新的材料。原則上來說複合材料是脆性的，並且於飛機中通常使用的金屬材料不同，幾乎很難探知它的變形跡象，也就是說即使複合材料內部發生損壞，你也很難從表面發現任何跡象，隨著時間的延長，這種無法檢測到的損壞，有可能最終導致故障發生。

文章來源於公眾號：西貝九日

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