NASA-STD-5020航天器用螺纹紧固系统要求标准简介.pdf

国外标准化 N A S A S T D 一5 0 2 0 航天器用 螺纹紧固系统要求标准简介 温楠侯崇强刘长栋编译 ( 航天标准化与产品保证研究院，北京，1 0 0 0 7 1 ) 文 摘：介绍N A S A S T D 一5 0 2 0 航天器用螺纹紧固系统要求标准的适用范围、主要 内容，包括总体要求、设计要求及考虑因素、螺纹紧固系统分析准则、质量保证等，对标准 的实施作了说明。 关键词：螺纹紧固系统；设计载荷；紧固系统分析；N A S A 。 N A S A ( 美国国家航空航天局) 历来重视航 天飞行器用紧固件的设计及使用工作在这方面 编制和发布了多个手册和标准如1 9 9 0 年编制 出版了N A S A R P 一1 2 2 8 紧固件设计手册，总 结其紧固件设计选用经验主要内容涵盖紧固件 材料选择、表面处理、润滑、腐蚀、锁紧方法、 垫圈、镶嵌件、螺纹类型和等级、疲劳载荷及紧 固件扭矩等方面。1 9 9 9 年出版的航天机构手册 中。专门有一章讲述紧固件方面内容涵盖螺纹 紧固件设计、锁紧装置、快卸紧固件设计、不可 拆卸紧固件设计等方面内容。N A S A 于2 0 1 2 年 发布了N A S A S T D 一5 0 2 0 航天器用螺纹紧固系 统要求，该标准体现了N A S A 对航天器用螺纹 紧固系统( t h r e a d e df a s t e n i n gs y s t e m 指包含外 螺纹紧固件如螺栓、内螺纹紧固件如螺母或镶嵌 件以及包含垫圈在内的被连接件) 的最新要求， 并且标准涵盖设计、分析、质量保证等环节有 较高的参考和学习价值。 N A S A S T D 一5 0 2 0 标准正文包括7 个部分 分别为范围、引用文件、缩略语及定义、总体要 求、设计要求及考虑因素、螺纹紧固系统分析准 航天标r l q E 2 0 1 6 年第3 期 则、质量保证。正文之外还包括4 个附录( 由于 篇幅原因，本文不作进一步的介绍) ，分别为紧 固件分析准则解释与澄清、锁紧特性最佳实例、 低风险疲劳分类的理由、参考文献。以下对适用 范围和总体要求进行概要说明并对设计及考虑 因素、螺纹紧固系统分析准则以及质量保证等内 容分别进行介绍。 1标准的适用范围及总体要求 1 1 适用范围 N A S A S T D 一5 0 2 0 标准适用于所有的N A S A 项目和工程，也适用于对断裂控制、非金属结 构、非标准紧固件以及舱外活动( E V A ) 用紧固 件提出额外要求。但同时明确提到，该标准不一 定适用于地面支持设备。 1 2总体要求 标准中的“总体要求”一章从5 个部分提出 要求：强度、断裂控制和疲劳寿命、连接分离、 锁紧特性、紧固系统控制计划。 1 2 1 强度 在强度设计时要使用安全因子( 相应结构装 一1 9 万方数据 丛墅笪堕生丝垫崖差益厘复蕴塞厘厦蕴垩盛瘟蕉笸硷：监蕴箧蓑趔蠹蕴 配标准给出的) 以及补充因子( 考虑螺栓连接件 各部分强度和分离情况分析对载荷路径和应力 的不确定性) 。另外，对极限设计载荷、屈服设 计载荷进行了规定要求所有的螺纹紧固系统应 当承受极限设计载荷以及预期环境下的最大载荷 而不断裂所有的螺纹紧固系统应当承受屈服设 计载荷以及预期环境下的最大载荷而不能屈服。 1 2 2 断裂控制和疲劳寿命 所有的螺纹紧固系统应当能经受服役寿命和 服役环境而不断裂或疲劳失效。服役寿命可以通 过N A S A S T D 一5 0 1 9 中规定的裂纹扩展分析或 者特定结构要求中规定的疲劳分析因子和服役寿 命因子的疲劳分析亦或特定结构要求中规定的 服役寿命因子的疲劳试验进行确认。 1 2 3 连接分离 使用螺纹紧固系统的机械连接应当能承受最 高和最低工作温度条件下的设计分离载荷而不发 生分离。连接分离安全因子应乘以一个补充因 子。对于关键连接如果连接分离会导致人员丧 生、人身伤害或灾难性结构失效则连接分离安 全因子应为1 4 或极限安全因子的较大值否 则。应为1 2 或屈服安全因子的较大值。如果不 是关键连接，则分离安全因子应为1 0 。 1 2 4 锁紧特性 不考虑预紧力的大小航天器用螺纹紧固系 统应至少采用一个不依赖于预紧力的锁紧特性 并对锁紧特性进行验证。对于使用时需要转动的 螺栓连接，应选用机械锁紧。 1 2 5紧固系统控制计划 设计人员应在初始需求审查或相类似的节点 审查时向技术权威提交一份紧固系统控制计划 包括：如何满足N A S A S T D 一5 0 2 0 标准的要求； 包含的其它组织在设计、分析、紧固件安装以及 验证方面的要求和准则：为确保质量和完整性所 依据或参考的工艺文件。 2 设计要求及考虑因素 在设计要求及考虑因素方面标准主要从8 个方面进行要求：材料、润滑剂与涂层及密封剂 规范、螺纹型式的兼容性、垫圈及螺栓孔倒角的 使用、锁紧特性、螺纹啮合、尺寸和公差、紧固 一2 0 一 件安装规范及控制以及安装扭矩规范与控制 2 1材料 螺纹紧固系统所用材料应满足N A S A S T D 一 6 0 1 6 航天器标准材料和工艺要求。标准的注 释说明中指出，对于螺纹紧固系统。主要的材料 问题包括咬死、腐蚀、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕 变、放气和原子氧的影响。 2 2 润滑剂、涂层及密封剂规范 所有用于螺纹紧固系统的润滑剂、涂层、密 封剂及其使用过程都应参考N A S A S T D 一6 0 1 6 的规定，并在工程文件中进行说明和控制。 2 3 螺纹牙形的兼容性 相互配合的螺纹紧固件应有相互兼容的螺纹 牙形。标准给出了几种不兼容的螺纹组合实例 如细牙螺纹配粗牙螺纹、英制螺纹配公制螺纹 这种配合螺纹具有相同的螺距和不同的公称直 径，如果外螺纹为U N J 螺纹、内螺纹就为U N 螺 纹，如果外螺纹为M J 螺纹、内螺纹就为M 螺 纹。 2 4 垫圈及螺栓孔倒角的使用 标准要求工程文件中应将垫片的类型、位置 以及允许使用的数量都详细列出。应通过在螺栓 头下配用倒角光孔或锥孔垫圈为头下圆角留有 足够的公差。以避免干涉。 2 5 锁紧特性 标准给出了两条要求分别为：锁紧特性及 安装过程。包括检验方法应在工程文件中指明： 当使用胶粘剂锁紧时在使用前应编制安装工艺 并经确认，以确保胶粘剂固化、粘着及锁紧特性 均如预期。 2 6 螺纹啮合、尺寸和公差 尺寸、公差和紧固系统应当在工程文件中说 明以控制螺纹啮合长度选择、螺纹连接选择避免 干涉等方面的问题。图1 给出了标准中所列的紧 固件尺寸方面考虑的因素。标准规定为了避免 螺纹脱扣这种严重的失效模式发生。除了螺母、 托板螺母或者镶嵌件内螺纹连接件的螺纹啮 合长度应进行选择以确保完整螺纹的最小啮合 数，以便紧固件在脱扣前发生拉伸失效。这样 既便于维修也可增加失效紧固件被检测到的可 能性。 航天标准彳匕 2 0 1 6 年第3 期 万方数据 丛塑笪婴迦旦蕴差攫厦鏖纹篡厘丞蕴蔓瘟蕴筵蕴硷：援趁箧墓堡趔差蕴 图1在紧固件选择方面的尺寸考虑 2 7紧固件安装规范及控制 安装过程中达到预紧力的常规方法是通过控 制安装扭矩在紧固系统预安装后通过控制螺母 或者螺栓头的旋转角度、测量紧固件的长度变 化、在紧固件上使用应变片等方法进行控制。工 程图样和安装规程中应指定并控制安装方法和 参数来达到相应的预紧力。 2 8安装扭矩规范与控制 该部分适用于预紧力由扭矩控制产生的情 况。一是，工程文件应当指定安装扭矩范围或者 指定一个定义了安装扭矩范围的适用标准：二 是工程文件应当清楚标出安装扭矩是否为总扭 矩减去自锁力矩。 3 螺纹紧固系统分析准则 标准主要从5 个方面对螺纹紧固系统分析准 则作了规定：名义、最大、最小预紧力，极限设 计载荷下的强度，屈服设计载荷下的强度连接 滑移分析和连接分离分析。其中连接滑移分析无 正文要求。 3 1名义、最大、最小预紧力 螺纹紧固系统分析应关注最大和最小预紧 力，并考虑由于初始预紧力施加方式、松弛、蠕 航天标准化2 0 1 6 年第3 期 变和温度影响造成的预紧力变化。在计算最小预 紧力时全金属部件连接由于松弛导致的预紧力 衰减为5 连接中含有非金属部件或涂层时， 应通过试验确定衰减量。 名义初始预紧力计算应有至少6 组试验数据 作为支撑以确定初始预紧力与安装过程控制参 数( 力矩、螺母转角、加载角度或螺栓伸长) 之 间的关系。 对关键连接用于计算最小初始预紧力的不 确定性( 散差) 应在9 0 概率和置信度9 5 ( 双边分布) 的统计基础上选取。采用力矩控制 时润滑和无润滑时预紧力散差分别取2 5 和 3 5 ，或者由实际试验测得：采用螺母法和转角 法控制时预紧力散差取2 5 或者由实际试验测 得：采用螺栓伸长法时。预紧力散差取1 0 或者 由实际试验测得。 3 2 极限设计载荷下的强度 3 2 1拉应力下的极限强度分析 极限设计载荷的分析应考虑螺纹紧固系统中 所有组成部分的潜在断裂风险，包括紧固件、内 螺纹零件如螺母、镶嵌件以及被连接件。 如果分离先于断裂发生则拉伸载荷的极限 安全余量M S 。为： 一2 l 一 万方数据 丛塑尘塑立墅垫崖差墨厦复丝塞鳗丞蕴垩墟瘟蕉复硷：筮蕴箧墓震趔蠹蕴 M S 。= 而一l ( 1 ) 4质量保证 其中：兄一为许用极限拉应力；P 垃为极限 拉应力；阿为补充因子；F S 为极限安全因子。 如果断裂先于分离发生则拉伸载荷的极限 安全余量M S 。为： P 7 M S 2 雨试万一1 ( 2 ) 其中：P 。为施加的拉应力导致紧固件超出 其许用极限拉伸载荷使得在连接件分离前即发 生断裂。 3 2 2 剪应力下的极限强度分析 剪应力下的极限强度分析是在基于摩擦面不 承受剪切载荷的假设基础上进行的并根据螺纹 是否在剪切面内采用不同的公式对螺栓许用剪 切载荷进行计算。剪切载荷的极限安全余量M S 为： 榔u 2 而 彘一1 ( 3 ) 其中：只。一为许用极限剪切载荷；为极 限剪应力。 3 2 3 拉剪弯复合应力作用下的极限强度分析 对于同时承受拉伸、剪切载荷及弯曲载荷的 螺栓。在进行分析时应考虑各应力间的相互影 响。对于剪切平面不在螺纹段时，标准给出了不 考虑塑性弯曲以及考虑塑性弯曲时应分别满足相 应公式的要求这里由于篇幅原因就不再赘述。 3 3 屈服设计载荷下的强度 如果在承受小于设计分离载荷。紧固件发生 屈服导致连接分离。或者承受小于设计剪切载 荷紧固件发生屈服导致连接产生破坏性滑移， 或者存在其它有害的可导致紧固件屈服的设计因 素应通过分析确定，在考虑最大预紧力与屈服 设计拉伸载荷的情况下，紧固件的总拉伸载荷不 超过许用屈服拉伸载荷。 3 4 连接分离分析 在最小预紧力假设下。连接分离分析应表明 拉伸载荷作用下螺纹紧固件系统均不会发生分 离。对于要保持密封的连接，分析应表明在连接 中的所有紧固件符合最小预紧力假设情况下，连 接在设计分离载荷下符合密封要求。 一2 2 一 标准该部分指定了保证螺纹紧固件系统质量 的要求。质量保证程序主要环节包括：内部程序 和为保证原材料质量、紧固系统、工程设计、分 析、制造、装配、试验进行的控制。主要要求 有：应创建记载每个装配件安装过程和配置的记 录；应对紧固件装配人员进行质量培训；装配工 具和设备应在设计和校准范围内使用( 量程的 2 0 9 0 ) ：在使用前对装配工具和设备的校准 状态进行核查：螺纹紧固件系统在安装前应检查 其零件编号、清洁度和方向性是否与工程文件一 致；不管是机械锁紧还是胶粘剂锁紧，都要对其 锁紧特性进行验证；螺纹紧固系统的采购、接收 检查和储存应满足N A S A 有关标准要求。 5 对标准的理解和说明 a 、N A S A S T D 一5 0 2 0 标准主要针对航天器用 螺纹紧固件提出设计和分析方面的具体要求并 通过附录的形式对紧固件分析准则、锁紧特性 ( 有效力矩型、胶粘剂锁紧型、自由旋转型) 最 佳实践等进行详细的解释和说明可以为型号研 制人员在紧固件设计和分析方面提供较为系统的 指导。 b ) 从N A S A 紧固件相关标准( 包括N A S A S T D 一5 0 2 0 ) 来看通过力矩法来进行紧固件装 配时均要考虑到预紧力散差对连接可靠性的影 响。如N A S A S T D 一5 0 2 0 标准中就提到。对于特 定的输入扭矩其引起的预紧力会有一个带有平 均值和标准差的正态分布与之对应最好的办法 是通过试验来摸出其分布情况。 N A S A S T D 一5 0 2 0 标准篇幅较长本文只是 对该标准的整体情况进行简单的介绍无法对其 涉及的所有技术内容进行深入的描述和分析。 目前我国航天行业紧固件方面的标准多为 通用规范及所对应的产品标准、试验方法类标 准或者极少数选用类、质量控制类标准。涉及 包含紧固件设计、分析方法，且覆盖面较为全面 的标准目前尚未见到。而紧固件设计、分析又恰 恰是当前急需提高和改进的内容因此建议尽快 参考国外紧固件相关设计、分析方面的标准和文 航天标r 筮q E 2 0 1 6 年第3 期 万方数据 国外标准化 欧洲宇黼和防务芷业在至球 协同制造巾的标准化策略研穷 卫巍杨晓咱吴哀亮 ( 航天标准化与产品保证研究院，北京，1 0 0 0 7 1 ) 文摘：介绍欧洲航空航天与防务工业协会( A S D ) 战略标准化X - 作组的基本情况、运 作模式和战略任务，分析A S D 等组织为适应全球电子商务( E b u s i n e s s ) 变革而在航空航天标 准化领域开展的探索与实践及其对我国航空航天领域未来在互联网条件下实现行业协作所需 要的标准化策略的启示。 关键词：协同制造；电子商务( E - b u s i n e s s ) ；标准化；欧洲宇航和防务工业协会( A S D ) 。 电子商务或称电子业务( E b u s i n e s s ) 一般 是指：使用网络技术帮助企业精简流程，提高生 产力和效率。连接后端数据系统，并以安全的方 式进行商业事项处理。使企业与合作伙伴、供货 商和客户的沟通更加顺畅。 近年来随着互联网技术的不断发展以及国 际商业合作的不断增加E b u s i n e s s 在工业生产 过程中的作用越发重要。一方面，它能够有机地 整合产品生命周期中关键环节与流程，通过供应 链将企业紧密联系起来，形成制造产品链；另一 方面也使得以供应链为纽带分工协作的上下游 企业紧密联系、协同发展，实现供应链向价值 链、进而向生态链的转变。 航空航天工业从研制到生产几乎涉及国民经 ：场2 矫 ： 场 1 5 ；i 过旆场 场出科钎出币趟矫也筇 筇出筇也不出乔出开姑乖出乖出希出姑姑鸱开姑行站秽祭场挂绵出带场过稀幽科坏幽科铈出科场遭希出祭蚴斛矫姥行畅8 件，并在总结当前航天型号经验基础上，制定我 3 N a t i o n a l A e r o n a u t i c sa n dS p a c eA d m i n i s t r a - 国航天器用螺纹紧固件通用要求标准固化国内t i o n N A S A S T D 一5 0 1 9 ，F r a c t u r eC o n t r o l R e 一 外相关技术成果进一步提高航天紧固件的设计 q u i r e m e n t s f o r S p a c e f l i g h tH a