紧固件减重方法能减轻飞机数百公斤,你知道吗?

紧固件减重采用高性能材料,提高强度和比强度,可达到很高的减重效果,但当材料及其强度得到确定后,进一步的减重就交由紧固件结构尺寸设计者来完成,为了满足飞机结构对受力和减重等方面的要求,在紧固件结构尺寸设计上采用了多种措施,主要有:①采用不同受力状态的紧固件;②采用不同长短螺纹的紧固件;③组合紧固件的优化设计等。

1)根据受力状态选用不同头型的紧固件

现代飞机的机体结构主要采用传剪结构形式,因此大量采用了抗剪型紧固件,抗剪紧固件有 100°沉 头、平头等头型,在厚夹层采用抗拉型紧固件,由表 1可看出,抗剪型钛高锁螺栓比抗拉型钛高锁螺栓头部高度降低较大,因而具有明显的减重效果,经计算,抗剪型钛高锁螺栓的头部比抗拉型钛高锁螺栓头部减重57%;对于抗拉型紧固件头部,同样采用了减重措施,如六角头的减重窝和十二角头的减重窝等,如图 2 所示的六角头钛螺栓,与无减重窝的六角头比,可使头部重量降低 5%。

2)螺纹尺寸的变化

为了使紧固件进一步减重,在原 2P 收尾螺纹的普通钛高锁螺栓的基础上采用专利技术 (收尾及其强化技术)开发出了具有短收尾螺纹的轻型钛高锁螺栓,收尾为 1.5P 和 1P 螺纹。轻型钛高锁螺栓与第一代普通钛高锁螺栓相比,由于收尾螺纹缩短,使用高锁螺母长度也相应缩短,进而使得总体结构减重 10%。如图 3 所示,从图中可看出两者的关系,与普通钛螺栓连接相比,由于螺纹长度缩短,使得减重效果更为明显。

另外,以往飞机装配大都采用长螺纹连接,而现代飞机大都进行了精细化设计,在抗剪切部位或受力小的部位,螺栓采用短螺纹和短螺母配合,可使重量进一步减轻。

不但通过优化螺纹可以实现减重,而且在类似于螺纹的钛环槽钉上也是如此,如在环槽钉的环槽上,早期采用的是等距环槽,而在此基础上进行优化设计后的比例式环槽钉的环槽,如图 4 所示,不但可使结构强度匹配均匀,还可使作用的有效区减少约 1.5~2 个齿距,同时减短了与之相配的钛合金环帽,从而实现在环槽区域减重 20%的效果。

3)组合连接优化

在复杂的紧固系统中,采用高强度、钛合金等高比强材料,如钛合金拉丝型抽钉,外套采用高强 α 钛合金,而芯杆采用了比 TC4 强度还高的 β 型钛合金,总体强度与专为复合材料设计的单面螺纹抽钉强度一致,但其重量比后者轻 30%以上。

4)钛合金管路连接件

飞机的减重突出体现在多个方面,紧固件是通过大量使用体现总体减重效果,但在管路连接件上的减重,单件就有较大的作为,如将飞机上使用的不锈钢或合金钢管路连接件,用于液压系统的管接头、外套螺母、堵塞等都更换成 TC6 钛合金管路连接件,不但可将耐压能力提高至 28MPa,还可以使得整机减重数十千克到数百千克,如采用无扩口钛合金紧固件,如图 5所示,可实现进一步减重。

3 、到底怎么实现紧固件减重效果呢?

航空紧固件主要通过采用高强度、高比强度材料,在传剪结构和承力较小的部位采用抗剪头紧固件,在厚夹层和抗拉部位采用抗拉紧固件,采用短收尾螺纹紧固件等方法实现减重效果,另外通过采用减重窝和减重孔,采用高比强的钛合金紧固件和进行结构优化设计的复杂紧固系统替代传统钢紧固件也同样可以获得较好的减重效果,只有在所有紧固件均采用轻量化设计和制造后,才可以实现整机的大幅减重效果。