鄒耀斌，張 勇,江 鵬，鄒俊磊

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

鉚接是一種不可拆卸的連接形式，其工藝過程簡單，連接強(qiáng)度穩(wěn)定可靠，排查和排除故障容易，適于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各種金屬及非金屬材料之間的連接，所以鉚接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中廣泛采用的主要連接方法[1]。根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)、工藝性、抗疲勞性能，強(qiáng)度等要求，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行鉚釘?shù)倪x用和設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮鉚釘?shù)牟牧稀㈩^部結(jié)構(gòu)形式、連接特性、長度和直徑、間距和邊距、排數(shù)和排距。

設(shè)計(jì)時(shí)由于鉚接區(qū)域的連接特性決定鉚釘頭部結(jié)構(gòu)形式，而夾層厚度決定了鉚釘?shù)拈L度。故設(shè)計(jì)人員往往更多考慮的是鉚釘?shù)牟牧?、直徑、間距、排距、邊距的選擇。若鉚釘?shù)呐啪嗷蜷g距過小，會(huì)使孔邊應(yīng)力集中疊加，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免緊固件排距、間距過大或過小。而為保證鉚釘孔邊有足夠的強(qiáng)度，在工作載荷作用下不被撕裂和在安裝時(shí)不產(chǎn)生過大的變形，在設(shè)計(jì)時(shí)必須有足夠大的鉚釘邊距。鉚釘間距、排距及邊距一般由鉚釘直徑確定，基于經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)數(shù)值給出一定范圍，導(dǎo)致在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證規(guī)定范圍內(nèi)的鉚釘間距、排距和邊距前提下，由于設(shè)計(jì)人員的主觀性，鉚釘?shù)呐挪紟в须S機(jī)性。本文基于正交試驗(yàn)，將鉚釘材料、直徑、間距等作為試驗(yàn)因素，將選擇范圍以試驗(yàn)因素的水平進(jìn)行量化，以鉚釘總重、鉚釘剪切安全余量等作為考核指標(biāo)，對(duì)鉚釘?shù)呐挪歼M(jìn)行優(yōu)化。

1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用一種規(guī)格化的表——正交表來合理地安排試驗(yàn)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理科學(xué)地分析試驗(yàn)結(jié)果、處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過代表性很強(qiáng)的少數(shù)次試驗(yàn)，摸清各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響情況，確定出因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)參數(shù)組合[2]。

正交表是正交設(shè)計(jì)的基本工具，它是根據(jù)均衡分散的思想，運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論在拉丁方和正交拉丁方的基礎(chǔ)上構(gòu)造的一種表格，具有正交性、典型性以及綜合可比性等優(yōu)點(diǎn)，適用于多因素、多指標(biāo)、具有隨機(jī)誤差的試樣[3]。常用正交表記號(hào)如下所示：

式中：t表示因素的水平，q表示最多能安排的因素個(gè)數(shù)，n表示要做的試驗(yàn)次數(shù)，L表示正交表代號(hào)。常用的正交表有L4（23）、L8（27）、L9（34）、L16（215）等。

2 鉚釘?shù)倪x取與設(shè)計(jì)

2.1 鉚釘?shù)牟牧霞胺N類

鉚釘按材料可分為鋁鉚釘、鋼鉚釘、鈦合金鉚釘?shù)?，主要有LY1、LY10、LF10、LF21、ML18、ML20MnA、1Cr18Ni9Ti。鋁鉚釘用于一般受力構(gòu)件的鉚接，鋼鉚釘承剪能力強(qiáng)，適用于鋼結(jié)構(gòu)或傳力較大的鉚接以滿足強(qiáng)度和耐久性要求，如重要接頭、快卸鎖座的連接。

按頭部結(jié)構(gòu)形式可分為平錐頭鉚釘、大扁圓頭鉚釘、沉頭鉚釘。平錐頭鉚釘用于飛機(jī)機(jī)體無外形要求的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如框腹板與座艙地板筋條的連接；大扁圓頭鉚釘用于氣動(dòng)外形要求不高而且夾層較薄的飛機(jī)表面，如低速飛機(jī)機(jī)體表面；沉頭鉚釘用于氣動(dòng)外形要求高的外蒙皮或需平整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如座艙段外蒙皮與框緣的連接。

每一種鉚釘頭部結(jié)構(gòu)形式根據(jù)不同的材料，劃分為不同的鉚釘牌號(hào)，如常用的沉頭鉚釘牌號(hào)有HB6316（材料LY10）、HB6318（材料為ML18），設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)牌號(hào)進(jìn)行鉚釘選擇與區(qū)分。

2.2 鉚釘?shù)呐帕?/h3>

飛機(jī)根據(jù)載荷情況，被連接特點(diǎn)以及工藝性、抗疲勞性能等將鉚釘布置成單排、雙排、三排等多種形式，其中雙排、三排排列又有交錯(cuò)排列和平行排列兩種，多用于蒙皮、腹板，其靜強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度較高，如圖1所示。

圖1 鉚釘排列形式

2.3 鉚釘?shù)拈g距

鉚釘?shù)拈g距L應(yīng)根據(jù)受力及鉚釘間零件貼合情況而定，一般情況下按統(tǒng)計(jì)數(shù)值選取，間距不應(yīng)小于3d（d為鉚釘直徑）。對(duì)于較長的鉚縫同時(shí)還應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)間距的要求，但對(duì)于只有幾個(gè)或十幾個(gè)鉚釘?shù)亩蹄T縫，可以不采用標(biāo)準(zhǔn)間距[1]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用鉚釘中心標(biāo)準(zhǔn)間距：

單排：L=(4～6)d；

雙排，L=(5～7)d；

對(duì)氣密艙、油箱艙等部位單排鉚釘間距4d，雙排鉚釘間距5d，對(duì)機(jī)身、襟副翼應(yīng)力水平不高的部段，單排鉚接常用的鉚釘間距可選用7d～8d。

2.4 鉚釘?shù)呐啪?/h3>

排距t根據(jù)鉚釘頭部結(jié)構(gòu)形式選擇：

1）雙面埋頭及大扁圓頭鉚釘排距：t=3d；

2）沉頭、半沉頭、半圓頭、平錐頭鉚釘?shù)呐啪啵簍=2d+(2～3)mm。

2.5 鉚釘?shù)倪吘?/h3>

考慮鉚釘邊距a時(shí)注主要根據(jù)不同部位、受力情況等因素，邊距選擇如下：

1）一般情況下，按經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)d＜4mm時(shí)，a=2d+1；d≥4mm時(shí)，a=2d+2；具體見統(tǒng)計(jì)表1所示。

表1 鉚釘邊距統(tǒng)計(jì)值

2）非可見區(qū)域鉚釘邊距：a=2d+3；

3）重要連接部位和要求抗疲勞性能好的，鉚釘邊距：a=(2～2.5)d;

4）在零件搭接處保證強(qiáng)度要求下，邊距至少應(yīng)大于1.5d，但盡量不采用。

3 正交試驗(yàn)鉚釘排布優(yōu)化

3.1 鉚釘排布正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

某型低速飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)框緣與蒙皮通過鉚釘連接，連接區(qū)域長度為650mm，寬度為20mm，兩層連接，左件蒙皮材料為LY12，厚度為1mm，右件框緣材料為LY12，厚度為1.5mm，在某一滾轉(zhuǎn)工況下受剪力Q=10140N，其Catia模型和連接示意圖如圖2所示，考慮鉚釘總重、鉚釘剪切、鉚釘擠壓強(qiáng)度多指標(biāo)下鉚釘排布。

3.1.1 因素選擇

限于蒙皮較薄，根據(jù)飛機(jī)耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，埋頭緊固孔的劃窩深度不宜超過板厚的2/3，故不適宜采用沉頭鉚釘，選用大扁圓頭鉚釘。由于連接區(qū)域?qū)挾葹?0mm，考慮到鉚釘邊距要求，鉚釘單排排列。

不同的鉚釘材料、直徑，鉚釘?shù)闹亓坎灰粯?，且鉚釘?shù)钠茐募袅Σ灰粯樱辉谝欢ㄩL度連接區(qū)域，不同的鉚釘直徑，間距不同，鉚釘個(gè)數(shù)不一樣，故鉚釘總重不一樣；根據(jù)鉚釘?shù)钠茐臄D壓力[4]

圖2 連接示意圖

式中：δmin—被連接板件的最小厚度；σbr—被連接件或鉚釘材料的破壞擠壓應(yīng)力（取二者之小值）

鉚釘直徑不一樣，在不同的板厚下，板材的破壞擠壓力不一樣，綜上,本文選擇鉚釘材料、直徑、間距三個(gè)因素，考察其對(duì)鉚釘總重、鉚釘剪切和擠壓強(qiáng)度的影響，優(yōu)化鉚釘?shù)呐挪肌?/p>

3.1.2 因素水平

試驗(yàn)因素的水平考慮實(shí)際情況而定，鉚釘材料選常用鋁制和鋼制材料；鉚釘直徑（3～4）mm；間距6d～8d，本文對(duì)每個(gè)因素選取三個(gè)水平進(jìn)行研究，具體見表2。

表2 因素水平表

3.1.3 試驗(yàn)正交表設(shè)計(jì)及方案編制

選正交表的原則是正交表的總自由度要大于或等于要考察的因素的自由度，因素的自由度記為fA，fB，fC。

故本文中的正交試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)至少安排2×3+1=7次試驗(yàn)，在滿足至少7次試驗(yàn)條件下，盡量要求試驗(yàn)次數(shù)少，選擇正交表L9（34）最為合適，只需做9次試驗(yàn)。

正交表選擇后，根據(jù)試驗(yàn)因素、水平，進(jìn)行試驗(yàn)方案的編制，其試驗(yàn)方案表如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案表

3.2 鉚釘排布優(yōu)化

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)方案表，進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算分析如表4所示。

表中：ξi為試驗(yàn)指標(biāo)值，包含6個(gè)指標(biāo)值，其中：

ξ1——鉚釘總重；

ξ2——鉚釘剪切安全余量；

ξ3——左連接件鉚釘孔擠壓安全余量；

ξ4——左連接件鉚釘擠壓安全余量；

ξ5——右連接件鉚釘孔擠壓安全余量；

ξ6——右連接件鉚釘擠壓安全余量；

Kij——指標(biāo)ξi時(shí)因素A、B、C各列中數(shù)碼“j”對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值之和；

Ri——指標(biāo)ξi時(shí)因素極差；

極差Ri的大小反映相應(yīng)因素作用的大小，極差大的因素，其不同水平對(duì)指標(biāo)影響較大，通常為主要因素；極差小，則其對(duì)指標(biāo)值影響較小，一般為次要因素。

本文考慮多指標(biāo)，其中對(duì)鉚釘總重指標(biāo)ξ1，飛機(jī)機(jī)體重量越小越好，故試驗(yàn)指標(biāo)之和越小越好，所以A2為A因素的優(yōu)水平，同理，B1、C3分別為B和C因素的優(yōu)水平。根據(jù)極差的大小，RA＞RB＞RC，因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次為A、B、C，即鉚釘材料對(duì)鉚釘總重影響最大，其次是鉚釘直徑，鉚釘間距最小。

對(duì)鉚釘剪切安全余量指標(biāo)ξ2，安全余量越大越好，故試驗(yàn)指標(biāo)之和越大越好，所以A3為A因素的優(yōu)水平，同理，B3、C1分別為B和C因素的優(yōu)水平。根據(jù)極差的大小，RA＞RB＞RC，因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次為A、B、C，即鉚釘材料對(duì)鉚釘剪切安全余量影響最大，其次是鉚釘直徑，鉚釘間距最小。

表4 試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算分析

對(duì)左、右連接件鉚釘孔擠壓安全余量指標(biāo)ξ3和ξ5，安全余量越大越好，故試驗(yàn)指標(biāo)之和越大越好，所以A1為A因素的優(yōu)水平，同理，B3、C1分別為B和C因素的優(yōu)水平。根據(jù)極差的大小，RC＞RA=RB，因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次為C、A、B，即鉚釘間距對(duì)左、右連接件鉚釘孔擠壓安全余量影響最大，其次是鉚釘材料或鉚釘直徑。

對(duì)左、右連接件鉚釘擠壓安全余量指標(biāo)ξ4和ξ6，安全余量越大越好，故試驗(yàn)指標(biāo)之和越大越好，所以A3為A因素的優(yōu)水平，同理，B2、C1分別為B和C因素的優(yōu)水平。根據(jù)極差的大小，RA＞RC＞RB，因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次為A、C、B，即鉚釘材料對(duì)左、右連接件鉚釘擠壓安全余量影響最大，其次是鉚釘間距，鉚釘直徑最小。3.2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)不同指標(biāo)要求，對(duì)4個(gè)優(yōu)方案A2、B1、C3、A3、B3、C1、A1、B3、C1、A3、B2、C1進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證

由表5可知，在各優(yōu)方案下，相應(yīng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。考慮到飛機(jī)減重要求，在滿足強(qiáng)度要求即各安全余量大于0的條件下，方案A2、B1、C3的重量最小，故鉚釘排布的最優(yōu)方案為A2、B1、C3。

4 結(jié)語

本文將鉚釘材料、直徑及間距作為試驗(yàn)因素，探討鉚釘總重、鉚釘剪切余量等多考核指標(biāo)下通過正交試驗(yàn)直觀分析各因素對(duì)各指標(biāo)的影響，并獲得各指標(biāo)下的優(yōu)方案?？紤]飛機(jī)的減重要求，通過各個(gè)優(yōu)方案的對(duì)比得到最優(yōu)方案，優(yōu)化了鉚釘排布，且實(shí)現(xiàn)了鉚釘總重的最小化。