李维娜
【摘 要】理想的飞机结构是用相同的材料和制造方法制造出来的一个整体，复材机身蒙皮/长桁壁板就是这样的结构。然而，目前铝合金飞机机身大都还是组合式结构。出于制造和维护要求，一个结构通常要分解成几部分，然后通过铆钉、螺栓、耳片和接头等连接在一起。对于有集中载荷的地方通常设计接头来传递载荷。接头和接头之间一般采用紧固件-螺栓连接，也可以使用轴承来连接受力构件。按紧固件受力形式可将接头分为两种，紧固件受剪的是耳片，紧固件受拉的角盒。本文将主要介绍耳片接头的结构设计。
【关键词】民用飞机；接头；耳片；结构设计
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
接头是飞机上常用的连接结构。战斗机（F-15、“幻影”2000等）使用叉耳式接头实现翼身连接，用螺栓将机身加强框上的耳片和相应的机翼大梁上的耳片连接固定。机翼的升力和弯矩通过螺栓受剪传给机身。考虑到分散传力和“破损-安全”的设计要求，目前民机翼身对接更倾向于使用螺栓组来承受对接载荷。耳片接头通常配合螺栓和轴承使用，并能够传递较高的集中载荷，广泛用在起落架大接头、发动机吊挂、操纵面铰链、平尾后梁与后机身连接的转轴接头、舱门铰链以及一些需要拆卸的连接部位。
1 耳片接头的结构形式
民机上常用的耳片接头有单耳和双耳两种，如图1所示。单耳和双耳通常搭配使用，这样其中的紧固件以双面剪切形式受载，承载能力几乎是单剪紧固件的二倍。单剪紧固件受载时容易发生偏转，不仅会改变耳片上载荷分配，还会导致接头错位和螺母受力。除了图1中的两种接头，还有三耳和多耳接头，如舱门机构的铰链接头。这种多剪切的连接形式，主要用于需要考虑破损-安全的情况。
2 耳片设计准则
耳片接头要搭配紧固件（销钉或螺栓）使用，通过紧固件受剪来传递载荷。螺栓与耳片一般采用过渡或小干涉配合，使用过程中允许螺栓转动。为了避免螺栓磨损耳片，提高耳片寿命，通常在耳片与螺栓之间使用衬套，选用压入配合衬套可提高耳片的疲劳寿命。设计双耳接头时应注意不应让耳片承受螺栓预紧力引起的弯矩，可以通过选用合适的衬套来承受将紧力，避免耳片上出现较高的预应力，从而发生应力腐蚀。
设计耳片时，需注意尽量不让耳片承受面外载荷。耳片面外刚度小，发生弯曲变形后会影响面内载荷的分配和耳片承载能力。因此，耳片应该设计的与主要载荷共面。图2给出了耳片上不同载荷作用情况。应尽量让设计的耳片承受轴向载荷，横向和斜向载荷会在耳片根部产生附加弯矩，降低耳片承载能力。在轴向、横向和斜向载荷下，耳片主要会发生剪切撕裂、挤压破坏和拉伸破坏。设计时，这三种破坏对应的强度均要满足要求。
按适航要求，民机接头设计载荷要乘以λ=1.15的接头系数。此外，耳片尺寸设计的最小安全裕度MS应该为20%。耳片厚度与螺栓孔直径比应大于0.3，当采用厚板机加制造耳片时，应避耳片与材料的短横向共面，因为短横向许用应力较低，不能完全发挥材料性能。对于工作载荷较大的接头，可以使用锻造材料來提高耳片疲劳寿命。
3 耳片破坏载荷
耳片的参数设计要考虑以下几种破坏方式：耳片拉断、耳片剪断、耳片的挤压。考虑到耳片的厚度以及耳片之间的间隙还应计算螺栓弯曲对耳片上载荷的影响。下面将通过简化工程算法计算耳片参数。前面提到，为提高耳片承载能力，最大发挥出材料性能，设计时应尽量让耳片承受轴向载荷。耳片承受轴向载荷时，首先要考虑剪切-挤压破坏。这种破坏包括耳片在螺栓两边40°位置的剪切撕裂和螺栓对耳片的挤压破坏。此种破坏的极限载荷可由下式给出：Pbru=kbruFtu，xAbr，其中kbru为剪切-挤压系数，与耳片参数尺寸有关，一般不超过2；Ftu，x为材料极限拉伸应力；Abr为耳片挤压面投影面积，数值等于螺栓直径乘以耳片厚度。同样，拉伸破坏载荷Ptu=ktFtu，xAt，其中kt为净截面拉伸系数；At=（W-D）t，为最小净截面面积。
此外，耳片设计还应考虑螺栓的剪断破坏和弯曲破坏。如果耳片所用的螺栓太小，承载时螺栓容易发生弯曲，耳片孔边的应力不再是均匀分布，而会形成应力峰值。若螺栓刚度太低或尺寸太小，即使在较小的外载荷作用下，也会使耳片发生破坏。因此建议使用较大直径的螺栓（MS值足够大）。
4 结束语
本文主要介绍了民机耳片接头的设计准则和强度评估方法，可以为工程人员设计接头提供参考。
[责任编辑：张涛]
