结构应用中的航空紧固件

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设计飞机时需要考虑众多的因素，其中最重要的就是结构安全性、寿命、重量、燃油效率和成本。机身和发动机的结构设计可以从上万种材料中进行选择，但是通常适用于飞机结构的材料不会超过一百种。造成这种数量有限的原因主要是因为飞机材料对重量、硬度、刚度、疲劳性、韧性、耐损伤、易于加工且成本效益高等多重因素的综合考虑，因此是这些强制因素的存在，排除了绝大多数材料。

飞机的主要部件的材料都会承受一定的载荷力，比如机身在承载有效载荷时，可能会受到各种压力，包括压缩、拉伸、弯曲等，而机翼的上表面在飞行过程中受到压缩，下表面受到拉紧。因此这些结构位置的材料除了具备一定的防腐蚀能力以外，还要在屈服强度、抗疲劳特性和断裂韧性方面具有优势，所以在机翼蒙皮、纵梁等结构使用的是2024和7075铝合金。

飞机的装配需要组装大量部件，因此在选择连接飞机部件的紧固件时涉及的变量可能很大。由于飞机要承受各种载荷和设计约束，因此需要大量由不同材料/强度制成的零部件。放眼整个飞机上应用最多的材料就是高强度铝合金、钛合金和碳纤维复合材料。

钢材料的选择范围比较广，碳钢、合金钢、不锈钢等，都可以根据不同的应用强度选择不同强度等级的钢。钢的最大优势是极高的强度、刚度和抗疲劳性，因此在起落架、机翼根部和机翼附件等位置的紧固件常选用钢材料。

钛合金的优势在于既能解决所需的强度和耐久性问题，同时又兼顾不增加多余的重量。我们最常见到的Ti-6Al-4V几乎占据钛合金材料紧固件的半壁江山。其应用在机身、引擎上随处可见。结构紧固件如高锁螺栓和环槽钉大多是Ti-6Al-4V材料。通常当直径不超过19mm时，Ti-6Al-4V都是螺栓最佳的材料选择，而更大直径时，通常是由钢制成的。

铝合金在紧固件材料中的应用，受到了其自身屈服应力低和易受腐蚀特性的影响，最常见的产品恐怕就是实心铆钉了。实心铆钉是最古老、最可靠的紧固件之一，也是所有结构紧固件中成本相对较低的。它和螺栓螺母相比，安装速度更快、易于实现自动化安装。但是铆钉不适宜用于厚度较厚的连接以及拉伸应用，因为铆钉的拉伸强度相对于其剪切强度而言非常低。此外，除非使用特殊的密封或涂层，否则铆接的接头既不密封也不防水。

实心铆钉通常不用于复合材料，因为实心铆钉在安装过程中的膨胀会导致复材分层。而当下又是复合材料开始大量应用的阶段。复合材料有很多优势，最重要的就是减重，因此复合材料结构设计的过程对于紧固件的应用，无论是材料还是结构样式都是一个巨大的挑战……

实心铆钉通常不用于复合材料，因为实心铆钉在安装过程中的膨胀会导致复材分层。紧固件的合理选用也是开发复合材料结构的主要挑战，之所以被称为是一种挑战，关键在于复合材料的载荷能力相比于传统金属来说要降低一些，进而在复合材料上开孔会出现更加复杂的应用要求，而对于这些潜在的破坏因素的评估，显然就是一种挑战。

对于传统的金属材料飞机来说，其材料本身就是一个导电的通路，并以此来应对飞机在雷电天气下可能遇到的雷击问题。但对于复合材料来说，却是一个让人头疼的问题，虽然复合材料的导电能力可以通过嵌入材料来实现，这种技术虽然有助于保持闪电电流更加接近于飞机蒙皮的外表面，但并不会降低在安装紧固件的位置处产生电弧的风险。这是因为如果采用机械连接，就必须在复合材料上制孔来安装紧固件，而钻孔会对闪电电流的流动通路产生破坏，在这种情况下，电流可能会“渗透”到飞机的子结构中，例如翼肋和翼梁。因此对于飞机设计来说，如何有效防止机翼油箱区内部产生电火花是设计的首要任务。

碳纤维复合材料由于电位差的原因，在与铝合金接触时会发生电化学腐蚀，而且通过盐雾试验的测试可以看出这种腐蚀非常严重。在飞机结构上，目前采用碳纤维复合材料非常成熟的结构主要集中在机翼的控制面，比如副翼、升降舵等，在这些结构处通常都有铝合金的铰链连接配件，在这些应用环境中，碳纤维复合材料充当“原电池”的阴极，它会与相对较小的、可以充当阳极的金属紧固件（包括螺栓、螺母、铆钉等）发生接触，从而形成一个完整的电化学通路，加速零部件的腐蚀速度。钛合金（通常是Ti-6Al-4V）是用于碳纤维复合材料的典型紧固件材料，它们之间的电位差避免了这种电化学腐蚀的发生。

对于选用结构应用的紧固件，除了考虑其自身的特性以外，还要把关注点放在紧固件的安装工艺上。在碳纤维复合材料上安装紧固件并比较于传统的金属应用，似乎要略微复杂一些，而复杂的地方又多集中于制孔阶段。干涉配合容易引起复材结构的分层，但是如果不选用干涉配合又会降低接头的疲劳强度。看似鱼和熊掌不可兼得，但是如果控制得当，适当的干涉量是可以接受的，而且现在有针对复材干涉配合的衬套紧固件可以选用，其干涉由衬套的膨胀产生，消除了应力可能导致的分层。

除了以上这三点以外，我们还需要关注的地方就是对于复合材料的探伤问题。复合材料说通俗一些就是把承受载荷能力比较强的加固材料嵌入到比较弱的基体材料中，形成一种新的材料。原则上来说复合材料是脆性的，并且于飞机中通常使用的金属材料不同，几乎很难探知它的变形迹象，也就是说即使复合材料内部发生损坏，你也很难从表面发现任何迹象，随着时间的延长，这种无法检测到的损坏，有可能最终导致故障发生。