【航空紧固连接专题3】_航空_航天_轨道交通_汽车_理论_材料_控制_螺栓

【航空紧固连接专题3】

在【航空紧固连接专题2】的末尾，我们提出了一个观点：

eVTOL对紧固连接系统的稳定性需求，要高于传统航空飞机。

在解释这个观点之前，我们首先需要了解eVTOL行业的诉求和特点。

eVTOL作为目前的热点赛道，符合以下特征：

a) 结构安全需求高；

b) 结构失效的危害大；

c) 低空飞行，服役工况复杂；

d) 民用装备，用户基数大。

所以说，eVTOL行业有两个核心诉求：安全、经济。

1. 安全，是eVTOL行业的生命线。

在民航业中有一句广为人知的话：“安全是民航业的生命线”，同样的，安全也会是eVTOL行业的生命线。尤其是在自媒体高度发达、信息飞速传播的今天，哪家eVTOL企业的产品安全性高，就更容易在激烈的竞争中脱颖而出；哪家的产品出现事故，巨大的经济损失与公信力损失足以重创企业。

波音舱门掉落事件导致波音公司股价跳空低开8%，6个开盘日内股价跌幅20%以上，市值损失高达300亿美元。大量同型号飞机停飞、延迟交付。试问哪家新兴eVTOL企业经得起如此打击？

2. 性价比，是eVTOL企业的核心竞争力。

作为面向民用领域的行业，高性价比永远是用户的核心关注点之一。eVTOL行业的未来发展可以类比如今的汽车行业。现如今，汽车行业正处在新技术取代旧技术的节点上，曾经汽车的品牌效应在如今激烈的市场竞争中荣光不再。性价比是目前汽车行业的核心竞争力，也将会是eVTOL行业的核心竞争力。

eVTOL行业为什么需要紧固连接技术？

经过我司前期在轨道交通、汽车制造、航空航天的客户深度合作与经验积累，我们认为：eVTOL的紧固连接设计、制造、运维既不能简单类比汽车，也不能简单类比传统航空飞机。

汽车的螺栓选型、连接结构装配工艺相对粗放，且摩擦系数、安装扭矩、拧紧方法未经严格验证，仅按照相关行业标准执行，再加上许多用户不按规定对汽车进行保养，汽车螺栓的松动比例居高不下。但汽车螺栓的松动通常仅需要去4s店或修理厂重新拧紧或更换零件即可，不会造成较大经济损失，造成企业公信力损失的可能性微乎其微。

如果将汽车的紧固连接结构故障率类比到eVTOL企业中，必然是对eVTOL制造企业的灾难性打击。

航空飞机的紧固件产业属于高端紧固件产业，每年约60%紧固件需要进口。并且航空飞机在紧固连接系统上的费用（包含研发、制造、装配、运维环节）要远高于汽车行业。此外，航空飞机有专门的地勤人员，对飞机进行高频率的检查以保证安全。主要包括：日检（航前检查、过站检查、航后检查）、7日检、400小时检、2000小时检、10000小时检，以及更高级别的检查。并且这些都是例行检查，不包括突发地造成机队安全隐患而进行的各种普查项目。

如果将航空飞机的高检查频率类比到eVTOL中，显然不符合民用商品的运维逻辑。

所以说，eVTOL在复杂服役工况的前提下，既不能有传统民航客机一样高频率的检查，也不能有汽车一样高的紧固连接结构故障率。所以，回应本文标题的观点，我们提出：

eVTOL对紧固连接系统的稳定性需求，要高于传统航空飞机。

因此，对eVTOL飞行器紧固连接系统的专业设计服务需求就远高于汽车制造业。紧固连接系统设计是一项高技术需求的专业化设计，高强度紧固连接系统设计理论复杂，非紧固连接研究科班出身的从业人员很难理解，国家标准、行业标准的技术滞后性也不能保证装备的安全性。

相较于eVTOL企业自己去组建紧固连接研究团队去攻克这一难题的解决方法，来自专业技术服务公司的紧固连接技术ODM服务可以更好地帮助eVTOL企业实现“安全”、“经济”的核心诉求。

此外，不能狭隘地把紧固连接系统的价值与螺栓本身的价值划等号，而应当与生命安全、财产安全、企业公信力的价值放在同等地位。越对安全需求高的行业，对紧固连接系统设计的认知越深刻，对紧固连接设计的投入比重就越大。

数据计算方法：各行业紧固件总产值/总产量

eVTOL飞行器的连接系统设计要求

在“安全”、“经济”的企业核心诉求之上，eVTOL的连接系统有以下三个设计要求：足够的安全裕度、连接系统可监测、轻量化设计。

1. 充足的安全裕度。在飞机设计指南中，有一个经典的安全系数值：1.6，即材料强度极限与结构最高承载强度的比值不能低于1.6。在eVTOL结构设计中，为保证续航卖点，需要在安全裕度、轻量化、成本之间平衡，对各种关键结构的安全系数进行详细研究、设定。

2. 可实时监测状态的连接系统。针对检修频率低且易松动的关键紧固连接系统，需要采用智能螺栓实时检测松动情况（风电行业应用广泛）。通过智能螺栓，可实现eVTOL起飞前机械系统自检，飞行中实时监测承载结构状态，实时预警。连接系统的状态可视化与智能化，既是安全保证，也是一大营销噱头。

3. 轻量化的设计。飞机中紧固件的重量约占总重的6%，钢材质替换为钛合金材质可减少紧固件30%重量，短收尾结构、减重窝设计可减少10%重量。结构的优化设计可以带来更加明显的减重效果。在追求极致轻量化的同时，仍需要保证足够的安全裕度。

附：昊宇睿联-紧固连接技术ODM服务

紧固连接技术ODM服务，是针对需求方提出紧固连接系统的系统级需求与零部件级需求，由昊宇睿联提供从连接系统设计、制造（质量控制）、装配、服役、维修以及连接系统设计技术迭代的全套专业化技术服务，需求方可以避免在紧固连接系统中投入大量技术人员、耗费大量低效精力，专注于eVTOL产品的核心技术研发。

紧固连接技术ODM服务简图

来源：昊宇睿联

【航空紧固连接专题2】在飞行汽车(eVTOL)产业中，紧固连接技术是否重要？

eVTOL(Electric Vertical Take-off and Landing)电动垂直起降飞行器，是一种新型的空中交通工具，可以在城市中实现点对点的运输。eVTOL的优势是不需要跑道，可以在任何平坦的地面起降，而且比传统的直升机更安静、更节能、更环保。eVTOL的应用场景包括城市空中出行、紧急救援、物流配送等，大家所理解的“飞行汽车”，可简单归类为各类eVTOL飞行器中的一种。eVTOL的技术挑战主要有以下几个方面：能量密度、电机功率、控制系统、机械系统、法规政策。eVTOL的发展前景是充满机遇和挑战的，它有可能在未来几年重塑城市交通，并改变我们对飞机设计的传统看法。目前，全球已有260多个eVTOL的项目在进行中，其中一些已经成功上市或获得融资。预计到今年（2024年），eVTOL将开始在一些特定的场景中投入商业运营，如紧急救援等。到2040年，eVTOL的市场规模有望达到1.5万亿美元。紧固连接技术，简单来说就是以保证预期连接性能、提升装备可靠性为目的，基于力学、材料学、摩擦学等理论，研究服役工况下紧固件、被连接件等在设计选型、制造、安装、服役运维等环节的相互作用的由于对紧固连接结构的认知不足以及相关人才的匮乏，绝大部分高端装备行业的结构设计部门并没有专门针对紧固连接结构的科室或团队。当遇到紧固连接相关的高级需求时，通常需要以项目形式外包到学校或科研院所，或由内部非紧固连接专业人员采用相对粗放的仿真、试验手段解决问题。紧固连接研究是一项高度专业化的研究内容，涉及高强度螺栓连接系统设计理论、复杂轮廓的精确有限元建模方法、摩擦学与动力学相关知识等，非科班出身的工程技术人员往往对这些理论、方法、知识体系了解不足，可能导致结构的强度、稳定性和可靠性存疑。航空设备的安全性，从波音事故谈起2024年1月5日，美国阿拉斯加航空公司航班号为1282的波音737 MAX 9型客机当天从俄勒冈州的波特兰飞往加利福尼亚州的安大略，起飞后不久在空中发生事故。机上载有171名乘客和6名机组人员。执飞本航班的飞机于2023年11月获得认证，机龄仅为0.3年，运营145个航班，注册编号N704AL。具体事故为：飞机后应急逃生舱门固定螺栓松动，导致舱门在飞行途中掉落，机舱失压。后续美联航检修同型号客机，发现超过10架存在螺栓松动问题，近400架次航班取消。富国银行发表的报告将此次事件归咎于“波音737 Max 9存在严重质量问题”。针对此次事件，我们需要提出以下问题：1. 紧固连接结构设计是否可靠？2. 设计可靠，紧固件产品是否合格？3. 设计可靠、产品合格，装配技术是否合理？4. 设计可靠、产品合格、装配合理，运维环节是否可靠？是波音的质量管理问题，还是紧固连接行业问题？诚然，波音多家飞机被检查出螺栓松动，波音公司的质量管理水平绝对无法脱开关系。但波音事故、深圳欢乐谷过山车事故、各个车企因螺栓连接的大规模召回事件，均表明类似事件并非个例。据统计，每年因紧固连接松动、断裂问题导致的直接经济损失达数十亿美元以上。上述事件的发生，是现今紧固连接行业现状导致的：设计校核标准落后、设计人员认知不足、装配人员水准低、专业教育资源匮乏，导致了连接系统的可靠性难以把控，整体装备存在安全隐患。1. 设计校核标准落后。针对螺栓连接系统设计校核的研究，国内研究进度明显落后，目前国内无成熟可使用的螺栓设计选型标准。国外的螺栓连接结构设计校核手册主要有VDI 2230、DIN 25201、《BAC 5009M 螺栓和螺母的安装》、《SAE 1471A-2000》、NASA NSTS 08307《预紧力螺栓设计准则》、《OCT 100017-1989》标准和JIS B1083《螺栓紧固件紧固通则》等标准。在部分航空设计单位内，甚至仍然在沿用前苏联的设计方法。当然，国外这些设计校核手册虽然多，但其内容相比科学前沿研究仍有数十年差距，其核心仍然是为了满足快速手工计算需求，大量采用经验公式，大幅简化计算。2. 设计人员认知不足。经过对众多行业的走访调研，我们发现，由于螺栓过于普遍、过于常见、应用过于广泛，导致航空航天、桥梁等行业的结构设计环节对连接系统设计的重视程度与认知不足。相当一部分结构强度从业人员甚至连基础的螺纹力学都不了解，在进行连接结构设计与螺栓选型时方法相当粗糙。3. 装配人员水准低。即使在民航客机等高端装备的装配环节，仍然以人工紧固为主，工人的整体素质、装配水准不高，再加上螺栓预紧力的生成对摩擦系数、螺纹粗糙度等外部因素敏感，导致紧固连接系统的预紧力分散性较大，连接可靠性受到严重影响，无法满足高端装备的安全需求。4. 专业教育资源匮乏。被称作“工业之米”的螺栓，在全国范围内没有任何一家高等院校设立专门的专业、开设相关课程，仅仅在《机械设计》教材中用几页篇幅做了简短的介绍。这导致国内紧固连接领域人才储备不足，设计人员、装配人员技术能力不足。最后，我们可以回答标题中提出的问题：在飞行汽车(eVTOL)产业中，紧固连接技术是否重要？从安全角度考虑，eVTOL产业中，紧固连接技术显然非常重要。并且，我们认为：eVTOL对紧固连接系统的稳定性需求，要高于传统航空飞机。可能许多读者非常不认同此观点。对于此，我们将在本专题下一节内容【航空紧固连接专题3】中作出详细解释。来源：昊宇睿联