[发明专利]自膨胀紧固件

说明书

技术领域

本文所描述的主题涉及紧固件。更具体地，本公开涉及自膨胀紧固件、使用自膨胀紧固件的方法以及包括自膨胀紧固件的结构组件。

背景技术

形成交通工具例如飞机、火箭、汽车或轮船的结构需要连结两个或更多个结构部件。例如，飞机机翼蒙皮需要被连结到翼梁或肋骨，机身蒙皮需要被连结到机架或桁条/纵梁，或蒙皮需要通过搭接接头连结到另一个蒙皮段。各种类型的紧固件可以用于连结此类部件。

在航空工业中被称为I类（Class I）紧固件的紧固件凭借机械紧固件与组成接头的结构部件的接触来通过剪切力提供有效的负载转移。很多航空结构采用I类紧固件，其具有比孔尺寸约小0.003″的测量直径。I类紧固件具有紧固件对其孔的紧密配合，减少孔侧壁承受的赫兹接触应力，且不产生紧固件与方便紧固件插入的孔的过盈。

非过盈紧固件不完全填满紧固件孔，导致在孔边缘具有应力集中的未填满孔，其进而降低结构的疲劳寿命。未填满孔上的应力集中意味着由合金例如普通钛合金Ti-6A1-4V制成的结构将仅在40Ksi应力水平下就在孔边缘处开始塑性变形，与此相比该合金的正常屈服应力为120Ksi，即在没有孔的结构中屈服开始发生时的应力。

对于具有柄部的紧固件，若柄部大于紧固件在其中适配的（多个）孔的尺寸，则其通常被称为过盈配合紧固件。过盈配合紧固件比I类紧固件接头更优越之处在于它们在所连结的结构部件中不产生应力集中源（stress raiser），得到较长的疲劳寿命。但是，它们不经常被使用，因为通常需要专门的冻结插入来将紧固件装配到孔中。

因此，可以用能够填满紧固件孔以消除孔中的应力集中效应的任何紧固件来产生具有更长疲劳寿命的、更强壮的、更轻盈的接头。此外，紧固件应能被轻易地插入孔中，且应当在孔表面上留下压缩残留应力以提高结构的疲劳寿命。

发明内容

在各方面，本发明提供了自膨胀紧固件、使用此类紧固件的方法以及包含此类紧固件的结构。在一个方面，本发明提供了将第一结构连结到第二结构的方法。在一个实施例中，该方法包括使第一结构中的第一孔与第二结构中的第二孔对齐并将紧固件插入到第一孔和第二孔内。该紧固件包括形状记忆合金，当形状记忆合金在其较高温度奥氏体相时，形状记忆合金首先被形成为直径稍微大于接头的第一孔和第二孔的直径的第一形状。当形状记忆合金在其较低温度马氏体相时，形状记忆合金被形成为直径小于接头的第一孔和第二孔的直径的第二形状。该方法进一步包括在当紧固件处于马氏体相状态时的温度下插入紧固件，并且加热紧固件或允许紧固件升温至环境温度，该温度在其奥氏体开始转变温度之上。在加热时，紧固件开始从第二形状自由膨胀返回到第一形状并与第一孔和第二孔的表面建立物理过盈接触。在从奥氏体开始温度到奥氏体结束温度且超出该温度的整个温度范围内继续加热紧固件允许紧固件首先在其连结的结构部件中启动塑性变形，且最后其自身塑性变形。

在另一方面，本发明提供一种结构组件。在一个实施例中，该结构组件包括第一结构部件和第二结构部件，第一结构部件包括具有第一直径的第一孔，第二结构零件包括具有第二直径的第二孔，两个孔具有大约相等的直径。该结构组件进一步包括被确定尺寸以适配在第一孔和第二孔中的紧固件。该紧固件包括形状记忆合金，当形状记忆合金在其奥氏体（高温）相时，形状记忆合金被成形并加热处理成直径稍微大于第一孔和第二孔的直径的第一形状。随后当形状记忆合金在马氏体（低温）相时，该紧固件缩小到直径小于第一孔和第二孔的直径的第二形状。在插入紧固件后，紧固件被加热到奥氏体开始转变温度之上，使得紧固件开始从第二形状自由膨胀返回到第一形状。在膨胀期间，镍钛诺紧固件建立与第一孔和第二孔的表面的物理接触，且在进一步加热期间，镍钛诺紧固件的受限膨胀导致孔附近的第一结构和第二结构以及稍后紧固件自身经受塑性变形。

在又一方面，本发明提供一种将第一结构固定到第二结构的紧固件，第一结构包括具有第一直径的第一孔，第二结构包括具有第二直径的第二孔，第二直径约等于第一直径。在一个实施例中，紧固件包括被确定尺寸以适配在第一孔和第二孔中的主体。紧固件主体包括形状记忆合金，当形状记忆合金在高温奥氏体相时，形状记忆合金被形成为直径稍微大于第一孔和第二孔的直径的第一形状，并且当形状记忆合金在较低温度马氏体相时，形状记忆合金被缩小到直径小于第一孔和第二孔的直径的第二形状。在插入两个孔中后，紧固件主体被加热到奥氏体开始转变温度之上，使得主体开始从第二形状自由膨胀返回到第一形状并建立于第一孔和第二孔的物理接触，并且在进一步加热过程中，最接近孔的第一结构和第二结构以及紧固件主体自身经受塑性变形。