緊固件減重采用高性能材料,提高強度和比強度,可達到很高的減重效果,但當材料及其強度得到確定后,進一步的減重就交由緊固件結構尺寸設計者來完成,為了滿足飛機結構對受力和減重等方面的要求,在緊固件結構尺寸設計上采用了多種措施,主要有:①采用不同受力狀態的緊固件;②采用不同長短螺紋的緊固件;③組合緊固件的優化設計等。

1)根據受力狀態選用不同頭型的緊固件

現代飛機的機體結構主要采用傳剪結構形式,因此大量采用了抗剪型緊固件,抗剪緊固件有 100°沉 頭、平頭等頭型,在厚夾層采用抗拉型緊固件,由表 1可看出,抗剪型鈦高鎖螺栓比抗拉型鈦高鎖螺栓頭部高度降低較大,因而具有明顯的減重效果,經計算,抗剪型鈦高鎖螺栓的頭部比抗拉型鈦高鎖螺栓頭部減重57%;對于抗拉型緊固件頭部,同樣采用了減重措施,如六角頭的減重窩和十二角頭的減重窩等,如圖 2 所示的六角頭鈦螺栓,與無減重窩的六角頭比,可使頭部重量降低 5%。

2)螺紋尺寸的變化

為了使緊固件進一步減重,在原 2P 收尾螺紋的普通鈦高鎖螺栓的基礎上采用專利技術 (收尾及其強化技術)開發出了具有短收尾螺紋的輕型鈦高鎖螺栓,收尾為 1.5P 和 1P 螺紋。輕型鈦高鎖螺栓與第一代普通鈦高鎖螺栓相比,由于收尾螺紋縮短,使用高鎖螺母長度也相應縮短,進而使得總體結構減重 10%。如圖 3 所示,從圖中可看出兩者的關系,與普通鈦螺栓連接相比,由于螺紋長度縮短,使得減重效果更為明顯。

另外,以往飛機裝配大都采用長螺紋連接,而現代飛機大都進行了精細化設計,在抗剪切部位或受力小的部位,螺栓采用短螺紋和短螺母配合,可使重量進一步減輕。

不但通過優化螺紋可以實現減重,而且在類似于螺紋的鈦環槽釘上也是如此,如在環槽釘的環槽上,早期采用的是等距環槽,而在此基礎上進行優化設計后的比例式環槽釘的環槽,如圖 4 所示,不但可使結構強度匹配均勻,還可使作用的有效區減少約 1.5~2 個齒距,同時減短了與之相配的鈦合金環帽,從而實現在環槽區域減重 20%的效果。

3)組合連接優化

在復雜的緊固系統中,采用高強度、鈦合金等高比強材料,如鈦合金拉絲型抽釘,外套采用高強 α 鈦合金,而芯桿采用了比 TC4 強度還高的 β 型鈦合金,總體強度與專為復合材料設計的單面螺紋抽釘強度一致,但其重量比后者輕 30%以上。

4)鈦合金管路連接件

飛機的減重突出體現在多個方面,緊固件是通過大量使用體現總體減重效果,但在管路連接件上的減重,單件就有較大的作為,如將飛機上使用的不銹鋼或合金鋼管路連接件,用于液壓系統的管接頭、外套螺母、堵塞等都更換成 TC6 鈦合金管路連接件,不但可將耐壓能力提高至 28MPa,還可以使得整機減重數十千克到數百千克,如采用無擴口鈦合金緊固件,如圖 5所示,可實現進一步減重。

3 、到底怎么實現緊固件減重效果呢?

航空緊固件主要通過采用高強度、高比強度材料,在傳剪結構和承力較小的部位采用抗剪頭緊固件,在厚夾層和抗拉部位采用抗拉緊固件,采用短收尾螺紋緊固件等方法實現減重效果,另外通過采用減重窩和減重孔,采用高比強的鈦合金緊固件和進行結構優化設計的復雜緊固系統替代傳統鋼緊固件也同樣可以獲得較好的減重效果,只有在所有緊固件均采用輕量化設計和制造后,才可以實現整機的大幅減重效果。