民用飛機耳片接頭結構設計

李維娜

【摘 要】理想的飛機結構是用相同的材料和制造方法制造出來的一個整體，復材機身蒙皮/長桁壁板就是這樣的結構。然而，目前鋁合金飛機機身大都還是組合式結構。出于制造和維護要求，一個結構通常要分解成幾部分，然后通過鉚釘、螺栓、耳片和接頭等連接在一起。對于有集中載荷的地方通常設計接頭來傳遞載荷。接頭和接頭之間一般采用緊固件-螺栓連接，也可以使用軸承來連接受力構件。按緊固件受力形式可將接頭分為兩種，緊固件受剪的是耳片，緊固件受拉的角盒。本文將主要介紹耳片接頭的結構設計。

【關鍵詞】民用飛機；接頭；耳片；結構設計

Structure design of civil aircraft mechanical fittings

Li Weina

（Shanghai aircraft design and Research Institute， Shanghai Pudong District ，201210）

【Abstract】Ideal aircraft has a integral fuselage manufactured by the same material and process， such as composite fuselage panel. However， metallic fuselage is manufactured by parts and assemble together by mechanical fasteners and fittings. Supports fittings are used at concentrated load area to pick up the load and pass it to fuselage. Supports fittings are used with fasteners， such as pins and bolts. When take up the load， fasteners can be under tension and shear. Lug is one kind of the supports fittings where bolts are under shear. In this article， lug design principles are discussed.

【Key words】Civil aircraft； Support fitting； Lug； Structure design

0 引言

接頭是飛機上常用的連接結構。戰(zhàn)斗機（F-15、“幻影”2000等）使用叉耳式接頭實現(xiàn)翼身連接，用螺栓將機身加強框上的耳片和相應的機翼大梁上的耳片連接固定。機翼的升力和彎矩通過螺栓受剪傳給機身?？紤]到分散傳力和“破損-安全”的設計要求，目前民機翼身對接更傾向于使用螺栓組來承受對接載荷。耳片接頭通常配合螺栓和軸承使用，并能夠傳遞較高的集中載荷，廣泛用在起落架大接頭、發(fā)動機吊掛、操縱面鉸鏈、平尾后梁與后機身連接的轉軸接頭、艙門鉸鏈以及一些需要拆卸的連接部位。

1 耳片接頭的結構形式

民機上常用的耳片接頭有單耳和雙耳兩種，如圖1所示。單耳和雙耳通常搭配使用，這樣其中的緊固件以雙面剪切形式受載，承載能力幾乎是單剪緊固件的二倍。單剪緊固件受載時容易發(fā)生偏轉，不僅會改變耳片上載荷分配，還會導致接頭錯位和螺母受力。除了圖1中的兩種接頭，還有三耳和多耳接頭，如艙門機構的鉸鏈接頭。這種多剪切的連接形式，主要用于需要考慮破損-安全的情況。

2 耳片設計準則

耳片接頭要搭配緊固件（銷釘或螺栓）使用，通過緊固件受剪來傳遞載荷。螺栓與耳片一般采用過渡或小干涉配合，使用過程中允許螺栓轉動。為了避免螺栓磨損耳片，提高耳片壽命，通常在耳片與螺栓之間使用襯套，選用壓入配合襯套可提高耳片的疲勞壽命。設計雙耳接頭時應注意不應讓耳片承受螺栓預緊力引起的彎矩，可以通過選用合適的襯套來承受將緊力，避免耳片上出現(xiàn)較高的預應力，從而發(fā)生應力腐蝕。

設計耳片時，需注意盡量不讓耳片承受面外載荷。耳片面外剛度小，發(fā)生彎曲變形后會影響面內載荷的分配和耳片承載能力。因此，耳片應該設計的與主要載荷共面。圖2給出了耳片上不同載荷作用情況。應盡量讓設計的耳片承受軸向載荷，橫向和斜向載荷會在耳片根部產生附加彎矩，降低耳片承載能力。在軸向、橫向和斜向載荷下，耳片主要會發(fā)生剪切撕裂、擠壓破壞和拉伸破壞。設計時，這三種破壞對應的強度均要滿足要求。

按適航要求，民機接頭設計載荷要乘以λ=1.15的接頭系數(shù)。此外，耳片尺寸設計的最小安全裕度MS應該為20%。耳片厚度與螺栓孔直徑比應大于0.3，當采用厚板機加制造耳片時，應避耳片與材料的短橫向共面，因為短橫向許用應力較低，不能完全發(fā)揮材料性能。對于工作載荷較大的接頭，可以使用鍛造材料來提高耳片疲勞壽命。

3 耳片破壞載荷

耳片的參數(shù)設計要考慮以下幾種破壞方式：耳片拉斷、耳片剪斷、耳片的擠壓?？紤]到耳片的厚度以及耳片之間的間隙還應計算螺栓彎曲對耳片上載荷的影響。下面將通過簡化工程算法計算耳片參數(shù)。前面提到，為提高耳片承載能力，最大發(fā)揮出材料性能，設計時應盡量讓耳片承受軸向載荷。耳片承受軸向載荷時，首先要考慮剪切-擠壓破壞。這種破壞包括耳片在螺栓兩邊40°位置的剪切撕裂和螺栓對耳片的擠壓破壞。此種破壞的極限載荷可由下式給出：Pbru=kbruFtu，xAbr，其中kbru為剪切-擠壓系數(shù)，與耳片參數(shù)尺寸有關，一般不超過2；Ftu，x為材料極限拉伸應力；Abr為耳片擠壓面投影面積，數(shù)值等于螺栓直徑乘以耳片厚度。同樣，拉伸破壞載荷Ptu=ktFtu，xAt，其中kt為凈截面拉伸系數(shù)；At=（W-D）t，為最小凈截面面積。

此外，耳片設計還應考慮螺栓的剪斷破壞和彎曲破壞。如果耳片所用的螺栓太小，承載時螺栓容易發(fā)生彎曲，耳片孔邊的應力不再是均勻分布，而會形成應力峰值。若螺栓剛度太低或尺寸太小，即使在較小的外載荷作用下，也會使耳片發(fā)生破壞。因此建議使用較大直徑的螺栓（MS值足夠大）。

4 結束語

本文主要介紹了民機耳片接頭的設計準則和強度評估方法，可以為工程人員設計接頭提供參考。

[責任編輯：張濤]