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航空航天紧固技术高岩孙新2015.8.28目录1.背景介绍2.紧固件特点3.事故分析4.研究方向5.测试实验航空航天行业历年来取得了举世瞩目的成就，长征系列运载火箭连续发射成功，各类卫星和导弹武器装备顺利完成研制和交付，特别是多次载人航天飞行的圆满成功，标志着航空航天产品的质量与可靠性达到了一个新水平。产品的高可靠，来自于研制生产过程的严格质量控制，同时，也需要高可靠的基础产品作支撑。而紧固件是航空航天产品中应用最广泛、使用量最大的基础产品。背景介绍钛及钛合金•比强度高：250N·m/kg，TC4为例，下同•耐腐蚀：有涂层条件下与其他合金接触35℃、3.5%盐溶液5个月最高可无强度损失•耐高温：可在400℃以下长期工作•无磁性紧固件特点比强度：强度/密度常用钛及钛合金材料牌号牌号类型主要用途说明TA1、TA2纯钛铆钉、垫圈已逐渐被钛铌铆钉取代TA15α花螺母、堵头、螺塞多用于焊接承力结构件TC4α+β螺栓、高锁螺栓使用最多的钛合金紧固件材料TC6α+β螺栓、螺母使用较少，用于需要减重、耐热的场合TC16α+β螺栓、螺钉、自锁螺母、环槽铆钉用量少于TC4，使用温度应小于300℃TB2β铆钉用于有强度要求且温度小于200℃的场合TB3β螺栓、螺钉、螺母要求抗氧化、耐腐蚀、减重的场合紧固件特点事故分析事件原因日本航空123号班机空难事件飞机机尾维修没有按照规定安装足够数量的紧固铆钉全日空波音787故障端子的螺母没有固定好，导致该端子周边发热中华航空120号班机空难前襟翼摆动的金属螺栓脱落美国航空191号班机空难螺丝金属疲劳，最后引起引擎与机翼间挂架断落螺栓脱落•结构（螺纹）螺栓失效•强度失效•疲劳失效紧固件事故研究方向结构防松脱连接形式紧固件结构研究方向结构（防松脱）航空天•弹簧垫圈防松•对顶螺母防松摩擦防松•槽形螺母和幵口销防松•圆螺母和止动垫圈防松机械防松•冲边法防松•粘合防松不可拆卸防松•HardLock螺母•施必牢螺母新型防松螺母研究方向结构（防松脱）1.摩擦防松①弹簧垫圈防松弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力，从而实现防松。②对顶螺母防松利用螺母对顶作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。由于多用一个螺母，并且工作不十分可靠，目前已经和少使用了。弹簧垫圈对顶螺母研究方向结构（防松脱）航空天2.机械防松①槽形螺母和开口销防松槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔。②止动垫片螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧，实现防松。如果两个螺栓需要双联锁紧时，可采用双联止动垫片。槽形螺母和开口销防松止动垫片研究方向结构（防松脱）航空天3.不可拆卸防松①冲边法防松螺母拧紧后在螺纹末端冲点破坏螺纹②粘合防松通常采用厌氧胶粘结剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘结剂能够自行固化，防松效果良好。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）产品品种应用领域HL型抗震防松螺母高铁、高速列车动车组及地铁车辆、船舶专用、载重汽车、特种汽车专用HLB型法兰型抗震防松螺母轴承专用风电、水泵、柴油机、发动机专用研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）结构原理HardLock螺母的构思十分简单，就是在螺母与螺丝之间揳入楔子以发挥防止松动的作用。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）结构原理HardLock螺母的构思十分简单，就是在螺母与螺丝之间揳入楔子以发挥防止松动的作用。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）受力分析：P3：垂直紧固力（上螺母向上拉螺栓，下螺母向下拉螺栓）P1、P2：水平紧固力基本上，凸螺母紧固，拧紧你自己指定的值，然后拧紧凹螺母（锁紧螺母）扭矩的推荐量。在要使用这两个凹凸螺母扭矩相同值的情况下，请与THARDLOCK产业直接咨询。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）检测实验实验对象：M10-A2-70螺栓试验方法：紧固件横向振动试验方法（GB/T10431-2008）实验设备：横向振动试验机检测项目：安装扭矩、振动次数、预紧轴力、试验时间的变化曲线试验条件：1）试验频率：12.5HZ2）空载振幅：±1.0mm3）润滑条件：油脂4）振动次数：1500次研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）检测实验试验结果：注：1.初始轴力栏，第一列为下螺母安装时轴力，第二列为上螺母安装后轴力。2.安装扭矩栏，第一列为下螺母安装时扭矩，第二列为上螺母安装是扭矩。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）检测实验试验对比：Hardlock在1020秒时仍然无异常，而其他防松脱螺栓结构在短时间内就出现松脱。1HZ=60cpm研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母①HardLock螺母（“永不松动螺母”）实际松脱原因：楔形效应不起作用•上凹螺母未拧紧至规定扭矩•反复使用后，上螺母变形失效•螺母安装错误螺栓轴向拉力减小•下部凸螺母没充分拧紧•被连接件变形（交变载荷，温度等）研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母②施必牢螺母定义：内螺纹的牙底处有一个30°的楔形斜面，当螺纹紧固件相互配合时，外螺纹的牙尖紧紧的顶在内螺纹上，因而产生很大的锁紧力。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母②施必牢螺母受力分析：施必牢螺母普通螺母早在年，俄国的学者苑科夫斯基从理论上对螺纹副进行了分析，得出各圈螺纹牙所承受载荷的分配情况，结果表明：普通标准螺纹的第一、第二圈螺纹牙受到的切应力和摩擦破坏是非常严重的，甚至可能产生“滑牙”的现象。施必牢公司对于普通标准螺纹紧固件作了光弹实验研究,特别对它作了受力分析,证实当拧紧力矩比较小时普通标准螺纹紧固件,其锁紧力主要集中在第一牙的螺纹面上,螺栓的随后各牙螺纹在螺母中几乎都处在不受力状态;当拧紧力矩较大时,第一牙螺纹产生弯曲和剪切变形,才使第二牙的螺纹面承受应力,并产生锁紧力,其它各牙螺纹几乎仍处在不受力状态。研究方向结构（防松脱）航空天4.新型防松螺母②施必牢螺母对比实验实验对象：1）M10施必牢2型六角自锁防脱螺母2）M10普通螺母实验设备：振动试验机试验条件：1）试验频率：30.5Hz2）预紧力：18kN试验结果：普通螺母14min后，自行松脱施必牢螺母却一直未脱落，直到180min后，才出现松脱。研究方向结构（连接形式）连续连接•胶接•焊接机械连接•铆接•栓接混合连接•胶-铆、胶-栓等形式的机械连接和胶接的混合复合材料的连接形式①铆接•适用范围：在大型客机、新一代战机的壁板、机翼、发动机进气道等高传载、高温部件中都有使用钛合金铆钉连接。•特点：铆接结构质量轻、适用范围广、费用低，是目前最为广泛的连接方法之一。通常在对强度要求不高而对耐蚀性能要求高的部位采用钛合金铆钉。研究方向结构（连接形式）•适用范围：一般用于连接主承力结构（如机身、机翼梁结构、发动机罩和推力换向器等），并且可重复装配和拆卸。•特点：在机械连接中，螺栓连接比铆接可承受更高的载荷。研究方向结构（连接形式）②栓接在实际应用中，还常常使用胶-栓混合连接。研究方向结构（连接形式）②栓接•基本都集中在螺栓与各种复合材料连接的强度、疲劳、失效等连接性能的问题上。•研究方式也从过去纯理论上的有限元分析转变为有限元分析与实际试验相结合的方式。研究方向结构（连接形式）②栓接科研情况（国家自然科学基金）文献题目来源主题复合材料热结构螺栓连接刚度试验分析方法南京航空航天大学学报常温下预紧力矩与螺栓轴向力之间的关系，并给出了预紧力在高温下矩修正公式复合材料螺栓联接螺纹载荷分布规律研究复合材料学报基于有限元分析的螺栓螺纹载荷分布的研究高锁螺栓干涉连接中极限干涉量机械工程学报通过有限元分析及试验研究某型号高锁螺栓的基线干涉量复合材料天线罩螺栓连接结构损伤失效分析哈尔滨工程大学学报针对天线罩上的螺栓的有限元和试验方式进行失效分析复合材料连接结构强度研究与失效分析郑州大学胶接、栓接不同参数下的有限元分析研究方向结构（连接形式）②栓接科研情况（国家自然科学基金）文献题目结论复合材料热结构螺栓连接刚度试验分析方法由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时,则在螺栓和连接件中会产生附加的热应力。复合材料螺栓联接螺纹载荷分布规律研究在拧紧螺母的过程中，螺母绕螺栓旋转的角度不同会导致内外螺纹在局部的相对刚度发生变化；总体上，复合材料螺栓联接的载荷分布比金属联接更均匀高锁螺栓干涉连接中极限干涉量静态安装钛合金高锁螺栓时对疲劳寿命最有利的最大干涉量值为2%，且极限干涉量应不大于2%复合材料天线罩螺栓连接结构损伤失效分析试件发生初始层间开裂破坏之前，位移随载荷增加基本呈线性增加，发生层间开裂时载荷出现小幅突降，位移将随载荷的增加呈非线性增加复合材料连接结构强度研究与失效分析复合材料螺栓连接，采用双剪搭接形式时，应力数值较小，具有较高的连接强度；螺栓主要受力：拉应力，扭转应力，有时还有剪应力，特殊情况下有的还会受振动交变应力作用；研究方向而螺母中最主要的应力是螺纹的剪应力。螺栓失效（强度失效）螺栓失效（强度失效）研究方向123螺栓常见破坏位置①与螺母配合部分的第一螺牙的根部（65%）——截面积小，应力集中，与加工状态也有关系②螺栓头与螺杆的过渡区（20%）——此处材料易发生缺陷，表面处理导致微裂纹或者强化与未强化界面引起载荷传递问题，加工精度问题引起的圆角半径过小等等③螺纹与光杆部分的过渡区（15%）——应力集中螺栓失效（疲劳失效）疲劳试验采用交变载荷可测定紧固件材料的疲劳强度，并可绘制S-N曲线，进而观察疲劳破坏现象和断口特征，判断其失效机理、失效形式等。螺栓疲劳分析一般分为两种形式：①对螺栓施加交变载荷；②紧固复合材料板，对板施加交变载荷，则螺栓受到剪切力。研究方向测试实验①横向振动试验做一连串可控制的振动模拟，测试产品在寿命周期中，是否能承受运送或振动环境因素的考验，也能确定产品设计及功能的要求标准。国内普遍采用紧固件横向振动试验方法（GB/T10431-2008）②盐雾腐蚀试验对紧固件的耐腐蚀性能测试采用中性盐雾腐蚀试验盐雾腐蚀试验按照国家标准GB/T10125-1997③强度试验利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。试验条件严格按照国标GB/T3098.6-2010测试实验④疲劳试验弯曲疲劳试验在弯曲疲劳试验机上进行⑤无损检测磁粉探伤磁粉探伤利用工件缺陷处的漏磁场与磁粉的相互作用，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状，对这些磁粉的堆积加以观察和解释，就实现了磁粉探伤。超声波检测超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。它利用了钢铁制品表面和近表面缺陷（如裂纹，夹渣，发纹等）磁导率和钢铁磁导率的差异，磁化后这些材料不连续处的磁场将发生崎变，形成部分磁通泄漏处工件表面产生了漏磁场，从而吸引磁粉形成缺陷处的磁粉堆积——磁痕，MTS-NEW810液压伺服试验系统，可提供-100℃的试验环境。测试实验强度试验试验名称：紧固件拉伸试验。检验参数：①抗拉强度；②屈服点或条件屈服强度；③伸长率；④断面收缩率。疲劳试验机可施加特定的疲劳载荷，两侧引伸计可测量孔变形量。测试实验疲劳试验试验机为完成上述试验内容，综合我校装备结构分析国家重点实验室设备及文献中所使用的设备，对以下几款疲劳试验机做简单介绍：测试实验MTS及CSS电液伺服试验机可用于材料及零部件动静态力学性能实验。测定各种材料及构件在拉压及拉压交变的正弦波、三角波、矩形波、斜波和随机波等载荷谱