引言：螺栓連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、緊密性、防松能力以及螺栓強度和剛性都與螺栓預緊力有直接關(guān)系。預緊力的大小決定著螺栓連接結(jié)構(gòu)中的各項屬性。

航空結(jié)構(gòu)中的螺栓預緊力

1.1 航空結(jié)構(gòu)中預緊力的作用

　　適當控制預緊力的大小是提高航空結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量的重要措施，螺栓預緊力在航空結(jié)構(gòu)中主要有以下作用：

　　第一，在飛機中經(jīng)常有一些需要密封的結(jié)構(gòu)，適當?shù)念A緊力可以使這些結(jié)構(gòu)達到更好的密封效果;

　　第二，適當?shù)穆菟A緊力可以有效避免因機體震蕩導致的螺栓結(jié)構(gòu)松動、偏移甚至分離的情況;

　　第三，連接結(jié)構(gòu)的剛度會隨著預緊力的增大而增大，當同一結(jié)構(gòu)中螺栓連接的數(shù)量越多，該結(jié)構(gòu)的剛性就越強，進而提升該結(jié)構(gòu)的承載能力;

　　第四，螺栓連接不會像焊接一樣，產(chǎn)生較大的應力，因此，螺栓連接處的抗疲勞能力和承載能力會有效提高。

1.2 預緊力過大產(chǎn)生的不良后果

　　理論上，飛機連接結(jié)構(gòu)會有一定的屈服強度，在螺栓連接沒達到飛機結(jié)構(gòu)的屈服點時，預緊力越大，連接結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。

　　但實際情況卻并非如此，如果預緊力過大，首先會導致連接結(jié)構(gòu)拆裝不方便；其次，一些密封結(jié)構(gòu)在螺栓與被連接件之間都會放置一個密封圈，預緊力過大會對密封圈造成破壞，影響密封效果；最后，預緊力過大會導致螺栓的螺紋變形，后期可能會因螺紋變形導致連接結(jié)構(gòu)脫落。

　　在實際的螺栓連接過程中，很多時候都是憑借施工人員的經(jīng)驗來確定預緊力的大小，因此會造成很大的預緊力誤差，影響連接效果。所以，進行螺栓連接時，要經(jīng)過科學的計算，確定預緊力大小，而后通過專業(yè)工具進行預緊力調(diào)節(jié)，進而使航空結(jié)構(gòu)更加牢固。

螺栓預緊力的確定

2.1 擰緊力矩計算公式

　　國際上知名飛機制造商波音公司對航空結(jié)構(gòu)中的預緊力進行研究之后，得出以下結(jié)論：對于一般航空結(jié)構(gòu)中用到的螺栓來說，預緊力的大小應該是其屈服載荷的一半左右，最多不能超過70%，但由于航空結(jié)構(gòu)會受到飛機動載荷的影響，所以螺栓預緊力應該適當調(diào)低，選擇在其屈服載荷的35%左右最為合適。航空結(jié)構(gòu)螺栓預緊力的計算公式如下：

　　其中：F 是螺栓預緊力;K1 表示為預緊力系數(shù)，一般情況下該系數(shù)在0.35 到0.7 之間選擇;As 為螺栓的應力截面積;σs 為螺栓材料的屈服點。

　　該公式只能在理論上對螺栓預緊力進行計算，實際工作中不可能準確的測得螺栓預緊力，進而無法實現(xiàn)精準控制。所以，實際工作中通常把預緊力公式進行轉(zhuǎn)換，得到擰緊力矩的計算公式，從而通過控制擰緊力矩，實現(xiàn)對預緊力的控制。

　　擰緊力矩主要指的是以下三種：第一，為了使螺栓連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預期的預緊力所需要的力矩;第二，為克服擰緊過程中產(chǎn)生的摩擦阻力所需要的力矩;第三，克服自鎖機構(gòu)阻力所需力矩。最終，根據(jù)擰緊力矩的類型，整理出螺栓擰緊力矩的理論計算公式：

　　其中：F 表示為預期預緊力;M 是螺栓最終的擰緊力矩;d2 為螺紋中徑;P 為螺距;μ1 被連接件與螺母之間的摩擦系數(shù);μ2 為螺紋之間的摩擦系數(shù);β 為螺紋牙形半角;λ為螺紋升角;ρ 為螺栓螺母螺紋之間的摩擦角;R 為螺母支承面外圓半徑;r 為螺母支承面內(nèi)圓半徑。但是實際工作中如果按照(2)式計算螺栓的擰緊力矩會顯得非常麻煩，因此，為了便于實際工程的計算，對(2)進行簡化，最終得到下式：

　　(3)式中：K2是擰緊力矩系數(shù);F表示為預緊力，F(xiàn)為式(1)計算得到的;d為螺紋公稱直徑。

2.2 擰緊力矩試驗法

　　經(jīng)對上述公式的大量實驗結(jié)果研究之后可以得出一條結(jié)論：通過公式(3)計算得出的力矩，在一般情況下都可以滿足相關(guān)的工程要求。

　　但由于航空結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)定性與牢固性要求很高，所以為了得到準確的力矩，需要通過實驗，對計算結(jié)果進行驗證，具體方法如下：第一，按照式(1)計算出連接結(jié)構(gòu)所需的預緊力F;第二，按照公式(1)的計算結(jié)果，計算出連接結(jié)構(gòu)的力矩;第三，嚴格按照國家相關(guān)文件對連接結(jié)構(gòu)中力矩的要求，進行實驗，驗證力矩和螺栓理論預緊力之間的誤差。

控制螺栓預緊力的主要方法

3.1 轉(zhuǎn)角法

　　轉(zhuǎn)角法是先通過一般的方式將螺栓擰緊，使被連接件與螺母貼合，之后再利用專業(yè)扳手，按照力學計算得出的旋緊角度對其進行進一步的旋緊，進而增加螺栓的延長量，提高預緊力。旋緊角度的大小是結(jié)合螺栓材質(zhì)、被連接件材質(zhì)以及相關(guān)的尺寸、預緊力大小決定的，除此之外，還要考慮螺栓與被連接件的彈性形變量以及初次旋緊的預緊力大小。

　　因此，通過轉(zhuǎn)角法控制螺栓預緊力時，除了會受到連接件材質(zhì)剛性的影響之外，螺紋摩擦力、螺栓制造質(zhì)量等因素均不會對其控制精度造成影響，該方法能夠?qū)㈩A緊力的精度誤差控制在15%以下，是目前能達到的預緊力精度最高的方法。

3.2 力矩法

　　力矩法的主要特點就是用扳手的力矩控制預緊力的大小，在實際工作中，工人借助專業(yè)的扭力扳手完成螺栓擰緊工作，擰緊時可以通過扳手上顯示的力矩來對預緊力進行精準調(diào)節(jié)。

　　在螺紋的擰緊過程中螺母與被連接件之間會產(chǎn)生摩擦力，螺紋之間也會產(chǎn)生一定的摩擦阻力，而扭力扳手顯示的就是這兩個力的和，因此，用力矩法來控制預緊力可以直觀的了解到螺栓擰緊時產(chǎn)生的阻力，進而對預緊力進行精準的調(diào)節(jié)。但由于螺紋可能存在損傷，導致摩擦力是一個變量，因此，該方法能達到的預緊力精度較低，不適用要求較高的連接結(jié)構(gòu)。

3.3 拉伸法

　　拉伸法指的是通過對螺栓進行加熱，使其具有一定延展性，之后將其拉伸至連接需要的長度，在冷卻之前擰緊螺母，完成連接。

　　根據(jù)熱脹冷縮的原理，螺栓在冷卻之后，由于長度縮短，會大大增加預緊力。該方法可以產(chǎn)生巨大的預緊力，對于一些預緊力要求很高的場合來說非常適用。拉伸法除了會受到“拉伸量”影響之外，不會受到外界其他因素的影響，所以預緊效果也非常明顯。例如，在連接M30的液壓螺母時，通過拉伸法連接所達到的預緊力大約在37kN左右，遠遠超過了一般工具擰緊產(chǎn)生的預緊力。

結(jié) 語

　　通過上述研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，航空結(jié)構(gòu)中很多部位都是通過螺栓連接的，螺栓預緊力與航空結(jié)構(gòu)的整體水平有密切的關(guān)系。在實際工作中，相關(guān)工作人員需要針對不同強度要求的航空結(jié)構(gòu)，采取相應的螺栓連接，經(jīng)過科學、嚴謹?shù)挠嬎?，得出預緊力的大小，不要一味的追求結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而增大螺栓預緊力，有時反而會得不到預期的效果，影響航空結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。