一种可快速拆装的紧固件设计及使用方法与流程

1.本申请属于紧固件设计制造领域，特别涉及一种可快速拆装的紧固件设计及使用方法。


背景技术：

2.紧固件是航空、航天和机械制造领域常用到的一种连接件，常用的有螺栓、铆钉和抽钉等，用于紧固连接两个以上带有通孔的零件，有着极为广泛的应用范围。目前，国内外常规尺寸的紧固件一般设计为标准件，材料一般为不锈钢或者钛合金，其中螺栓承载能力较强，但需加工一定精度的螺纹以便与螺母配合才能使用，且需要一定的安装空间；铆钉和抽钉一般用于载荷相对较小的连接，也需要一定的安装空间，且安装需要一定的专用设备；上述常用紧固件只有抽钉可用在封闭区的连接。拆卸时，铆钉和抽钉只能采用破坏的方式；而对于螺栓，由于长期承受或传递载荷，紧固件及孔会产生一定的变形，造成拆卸极为困难。尤其是如果采用过盈配合，后期使用及维护修理过程中拆装更为困难，易产生个别螺栓断裂在螺栓孔中或拆装时划伤连接结构孔壁的情况，增加维护周期和维修成本。
3.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。


技术实现要素：

4.本申请的目的是提供了一种可快速拆装的紧固件设计及使用方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
5.本申请的技术方案是：
6.本申请的第一个方面提供了一种可快速拆装的紧固件设计方法，包括：
7.步骤一、确定紧固件的制造材料中的成分比例，所述制造材料选用形状记忆合金；
8.步骤二、对所述紧固件进行结构设计；
9.步骤三、对所述紧固件进行预变形训练。
10.可选地，步骤一中，通过合金元素比例选择，使得所述形状记忆合金满足以下条件：
11.所述形状记忆合金的马氏体相变开始温度ms控制在紧固件正常工作使用的最低温度以下；
12.所述形状记忆合金的奥氏体相变结束温度a
f
控制在装配紧固件时连接结构所能承受的最高温度以下。
13.可选地，所述形状记忆合金为钛镍双程形状记忆合金。
14.可选地，
15.所述钛镍双程形状记忆合金的马氏体相变开始温度ms控制在-20℃；
16.所述钛镍双程形状记忆合金的奥氏体相变结束温度a
f
控制在20℃。
17.可选地，步骤二中，所述对所述紧固件进行结构设计包括：
18.所述紧固件包括依次连接的头部、夹层段以及止动端，其中，
19.所述头部设计为沉头或非沉头；
20.在马氏体状态下，所述夹层段的直径d2小于孔径d0，在奥氏体状态下，所述夹层段的直径d2大于孔径d0；
21.所述止动端的剖面设计成中空结构，所述止动端的剖面刚度小于所述夹层段的剖面刚度，在马氏体状态下，所述止动端的外径d3小于孔径d0，在奥氏体状态下，所述止动端的外径d3大于孔径d0。
22.可选地，步骤三中，所述对所述紧固件进行预变形训练包括：
23.s301、将温度降低至马氏体相变结束温度m
f
以下，对所述紧固件进行拉伸或压缩预变形训练，诱发马氏体相变；
24.s302、将温度升高至奥氏体相变结束温度a
f
以上，所述紧固件恢复至奥氏体状态，冷却后返回s301，反复训练，形成双程形状记忆。
25.本申请的第二个方面提供了一种可快速拆装的紧固件使用方法，基于通过如上所述的可快速拆装的紧固件设计方法设计的紧固件，包括：
26.在马氏体状态下，将紧固件安装在连接孔中；
27.将温度升高至奥氏体相变结束温度a
f
以上，所述紧固件自动恢复至奥氏体状态，所述紧固件的夹层段的直径以及止动端的外径自动膨胀到大于孔径，实现自动固定；
28.将温度降低至马氏体相变开始温度ms以下，所述紧固件自动恢复至马氏体状态，所述紧固件的夹层段的直径以及止动端的外径自动缩小到小于孔径，取出紧固件。
29.发明至少存在以下有益技术效果：
30.本申请的可快速拆装的紧固件设计方法，设计出的紧固件可实现快速安装和拆卸，可承受较大载荷，无需加工螺纹和配套螺母等，可单独使用，减轻结构重量，无需专用的拆装工具，不需要特殊的装配和拆卸空间，可用于封闭区的连接，安装和拆卸过程中不会对连接结构造成损伤。
附图说明
31.图1是本申请一个实施方式的可快速拆装的紧固件奥氏体状态的示意图；
32.图2是本申请一个实施方式的可快速拆装的紧固件马氏体状态的示意图；
33.图3是本申请一个实施方式的可快速拆装的紧固件装配示意图。
34.其中：
35.1-头部；2-夹层段；3-止动端。
具体实施方式
36.为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
37.在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
38.下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。
39.本申请的第一个方面提供了一种可快速拆装的紧固件设计方法，包括以下步骤：
40.步骤一、确定紧固件的制造材料中的成分比例，制造材料选用形状记忆合金；
41.步骤二、对紧固件进行结构设计；
42.步骤三、对紧固件进行预变形训练。
43.本申请的可快速拆装的紧固件设计方法，步骤一中，通过合金元素比例选择，使得形状记忆合金满足以下条件：
44.形状记忆合金的马氏体相变开始温度ms控制在紧固件正常工作使用的最低温度以下；
45.形状记忆合金的奥氏体相变结束温度a
f
控制在装配紧固件时连接结构所能承受的最高温度以下。
46.形状记忆合金材料具有大变形能力以及双程形状记忆能力，通过形状记忆合金中材料成分比例选择，将形状记忆合金的马氏体相变开始温度ms控制在紧固件正常工作使用的最低温度以下，避免紧固件工作时温度变化引起马氏体相变导致紧固件松动和材料性能下降的问题；奥氏体相变结束温度a
f
控制在装配紧固件时连接结构所能承受的最高温度以下，如果可以应尽量控制在较低温度，减少不必要的高温加热工艺等。
47.本申请的可快速拆装的紧固件设计方法，步骤二中，对紧固件进行结构设计包括：紧固件包括依次连接的头部1、夹层段2以及止动端3，如图1至图3所示，其中，紧固件的头部1可根据需求设计为沉头或非沉头；在马氏体状态下，夹层段2的直径d2小于孔径d0，在奥氏体状态下，夹层段2的直径d2大于孔径d0，实现快速拆装；止动端3的剖面设计成中空结构，止动端3的剖面刚度小于夹层段2的剖面刚度，使得其训练时径向变形大于夹层段2的径向变形，在马氏体状态下，止动端3的外径d3小于孔径d0，在奥氏体状态下，止动端3的外径d3大于孔径d0，满足固定要求。
48.本申请的可快速拆装的紧固件设计方法，步骤三中，对紧固件进行预变形训练包括：
49.s301、将温度降低至马氏体相变结束温度m
f
以下，对紧固件进行拉伸或压缩预变形训练，诱发马氏体相变；
50.s302、将温度升高至奥氏体相变结束温度a
f
以上，紧固件恢复至奥氏体状态，冷却后返回s301，反复训练，形成双程形状记忆。
51.在本申请的一个实施方式中，利用上述设计过程设计直径为10mm的可快速拆装的紧固件，该紧固件连接孔直径为10mm，工作环境温度设计要求为-20℃～30℃。
52.首先，材料设计，选用钛镍双程形状记忆合金，其双程最大变形能力为8％，通过合金元素比例选择，将马氏体相变开始温度ms控制在-20℃，马氏体相变结束温度m
f
控制在-40℃，使其工作时不会产生马氏体相变；奥氏体相变开始温度as控制在0℃，奥氏体相变结
束温度a
f
控制在20℃；
53.其次，进行紧固件结构设计，紧固件的头部1可根据需求设计成沉头或非沉头，夹层段2的直径d2＝10mm，止动端3剖面设计成中空，外径d3为10.8mm，内径取6mm；
54.最后，预变形训练，将温度降低至-30℃以下，对紧固件进行拉伸或压缩预变形训练，诱发马氏体相变，最终使得夹层段2的直径d2降低至10mm以下，止动端3的外径d3降低至10mm以下；加热，将温度升高至奥氏体向变结束温度20℃以上后，紧固件恢复至奥氏体的形状，冷却后再诱发马氏体相变，反复训练，形成双程形状记忆。
55.基于通过上述可快速拆装的紧固件设计方法设计的紧固件，本申请的第二个方面提供了一种可快速拆装的紧固件使用方法，包括以下步骤：
56.在马氏体状态下，将紧固件安装在连接孔中；
57.将温度升高至奥氏体相变结束温度a
f
以上，紧固件自动恢复至奥氏体状态，紧固件的夹层段2的直径以及止动端3的外径自动膨胀到大于孔径，实现自动固定；
58.将温度降低至马氏体相变开始温度ms以下，紧固件自动恢复至马氏体状态，紧固件的夹层段2的直径以及止动端3的外径自动缩小到小于孔径，取出紧固件。
59.在本申请的一个实施方式中，安装过程：在马氏体状态下，将紧固件直接放入连接孔中，局部加热，当温度高于奥氏体相变结束温度20℃后，夹层段2的直径d2会自动恢复到奥氏体状态10mm，止动端3的外径d3自动恢复到奥氏体状态10.8mm，实现止动。拆装过程：局部冷却紧固件，当温度冷却到-20℃以下时，夹层段2的直径以及止动端3的外径自动缩小到孔径10mm以下，可直接取出。
60.本申请的可快速拆装的紧固件设计及使用方法，设计出的紧固件可实现快速安装和拆卸，可承受较大载荷，无需加工螺纹和配套螺母等，可单独使用，减轻结构重量，无需专用的拆装工具，不需要特殊的装配和拆卸空间，可用于封闭区的连接，安装和拆卸过程中不会对连接结构造成损伤。
61.以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。