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1、复合材料热结构螺栓连接刚度试验分析方法研究闵昌万第一作者：闵昌万（1971），男，研究员，博士后，从事飞行器设计研究；通讯作者：费庆国（1977），男，工学博士，副研究员，博士生导师，从事耦合结构动力学研究；基金资助：国家自然科学基金（10902024），教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-11-0086），航空科学基金（20090869009），江苏省自然科学基金（BK2010397） 谭志勇1 费庆国2（1. 北京临近空间飞行器系统工程研究所，北京100076）（2. 东南大学工程力学系，南京210096）摘要：本文以C/SiC螺栓为例，研究复合材料热结构连接刚度的试验分析方法。分析了
2、常温下预紧力矩与螺栓轴向力之间的关系，考虑高温对预紧力的影响给出了预紧力矩修正公式。针对高温条件下难以获得螺栓真实预紧力、从而影响对热结构连接刚度进行正确判断的难点，建立了一种在高温条件下通过动力学试验获取结构连接刚度的技术途径，并采用典型连接件开展了相关的试验研究。关键词：复合材料，热结构，螺栓连接，连接刚度目前，以C/C和C/SiC为代表的先进复合材料热承载结构是新型飞行器等领域重要的发展方向，这种结构具有明显超越于传统热防护金属材料结构的优点，但其结构设计以及力学性能的评价、考核也与材料特性、实际使用环境有着显著的关联性1,2。在工程上，先进复合材料结构需要解决的一个关键问题是部件之间的
3、连接，重点是对连接件在高温使用环境下力学性能的评价3-8。根据国内外相关技术资料，先进航空、航天器的最主要连接方式仍然是机械连接9,10。以C/SiC材料为例，涉及到C/SiC构件之间及其与金属之间可选用的一般有螺栓连接、铆接、焊接和粘结四种连接方式。其中后3种连接方法都是永久性连接，只有螺栓连接可以满足重复拆卸的要求，是热结构实际应用时不可回避的连接方式。本文将螺栓连接结构作为研究分析的对象。热结构的螺栓连接件常见的是高温金属螺栓、陶瓷螺栓、C/C复合材料螺栓和C/SiC复合材料螺栓。图1所示的X-38机身襟翼为C/SiC之间螺栓连接的典型构件，它由包括多个盒段的350多个各种C/SiC零件
4、，经过C/SiC螺栓连接组合而成。这种连接结构的持久性及耐冲击性均超出陶瓷瓦材料，并减轻了运载器的重量，并且不降低C/SiC构件的使用温度和强韧性。图1 采用螺栓连接的热结构典型构件为保证螺栓连接的强度、刚度性能，必须保持一定的预紧力并解决使用过程中的松弛问题。对于常温使用的金属螺栓，可以在使用过程中实时标定和检测，即使不能简单地用力矩扳手测量，仍有手段可以直接测量，不存在大的技术难点。然而，对于热结构连接件，螺栓的安装和预紧力施加都是在常温状态下完成的，而实际使用温度会达到8001600。一方面，由于热膨胀和温度梯度的作用，螺栓的预紧力会发生变化，预紧力明显减小将影响结构的连接刚度，预紧力显
5、著增加又会降低承受外载荷的能力；另一方面，在高温状态下，由于常规的测试手段难于实现，直接获得螺栓预紧力和连接刚度具有很高的技术难度。本文以C/SiC典型连接件和配套连接螺栓为对象进行研究。基于常温试验分析了C/SiC螺栓预紧力矩与螺栓轴向力之间的关系，给出了C/SiC螺栓拉伸破坏的形貌和应力水平的统计。分析了连接件在高温使用环境下影响预紧力变化的因素。进行了常温和高温条件下典型连接件的动力学试验，通过多状态试验数据的对比判断给出了高温条件下连接刚度以及螺栓预紧力的变化，建立了一种通过常、高温动力学试验来获取热结构连接刚度的技术途径。1 常温条件下螺栓预紧力矩与螺栓轴向力之间的关系本文以下均采用
6、C/SiC材料进行研究。为了掌握螺栓的合理的预紧力矩范围，首先应得到极限预紧力矩条件下螺栓的破坏形式，并获得预紧力矩与螺栓拉力之间的关系。由于难以直接测量螺栓承受的轴向力，本文采用了图2所示的实验装置。根据螺栓直径和螺杆长度设计一个金属套筒，在套筒的合理位置粘贴应变片。首先，在标准的材料试验机上进行套筒应变与轴向压缩载荷之间关系的标定。然后，将套筒衬在螺栓与螺母之间进行扭转力矩试验，并在螺栓的光杆部位粘贴应变片，获得的试验件破坏形貌、螺栓轴向力与预紧力矩关系曲线、光杆上应变与预紧力矩关系曲线分别如图3至图5所示。 图2 C/SiC螺栓预紧力矩与螺杆轴向力关系测试图3 试验件破坏形貌图4 螺栓轴
7、向力与扭转力矩关系曲线图5 螺栓光杆上应变与扭转力矩关系曲线对于螺栓连接，预紧力矩用于克服螺纹副的螺纹阻力矩以及螺母与被连接件支承面间的端面摩擦力矩，因此得到预紧力矩的计算公式为： （1）式中：轴向力；螺纹升角；螺纹当量摩擦角；螺纹当量摩擦系数；螺纹中径；端面摩擦力矩系数；螺纹公称直径；预紧力矩系数。即对于公称直径的螺栓，预紧力矩与轴向力呈线性关系。图4所示C/SiC复合材料螺栓的试验结果完全满足这一关系，通过图就可以插值计算出预紧力矩系数。对于M8和M10的C/SiC标准螺纹螺栓，预紧力矩系数可以分别取0.901.05和0.800.95。这与金属螺栓的值范围0.100.30有较大差异。从图5
8、所示C/SiC螺栓的应变与扭转力矩关系曲线以及试验件破坏形貌看出，螺栓结构与材料典型拉伸试验件的破坏类似，当螺杆与螺母间配合良好且螺母厚度时，一般发生螺杆拉断，破坏应变，破坏断面发生了明显的纤维拔出和界面脱粘的逐级损伤。C/SiC螺栓在拉伸破坏前的应变明显具有两个阶段。当螺栓的拉伸应变小于时主要由基体承载，材料表现出的弹性模量较高且未发生微观损伤；当拉伸应变由时，材料由基体和纤维共同承载，螺栓内部逐步发生细观损伤破坏，伴随着界面脱粘、纤维拔出、基体开裂和裂纹扩展等过程，螺栓的承载能力达到极限。根据材料表现出的力学特性，预紧力矩设计时即要保证连接面的刚性和防松能力，又不能使螺栓在日常状态和重复拆
9、卸的过程中产生损伤，本文给出预紧力的推荐计算值如下： （2）式中为与对应的应力水平，为螺栓的公称应力截面积。在实际使用时，由于难以对进行逐个测量，因此可首先将常温状态下的预紧力矩设定为： （3）式中为螺栓破坏力矩。2 高温连接件预紧力的影响因素分析C/SiC螺栓连接件在使用中最高温度达1100以上，升温过程中瞬态温度梯度作为主要因素导致热应力松弛，影响螺栓的预紧力和连接件刚度。对于螺栓与连接件的组合结构，当结构的各部分温度发生变化时，将由于热变形而产生线应变，其中是材料的线膨胀系数，是弹性体内任一点现时的温度值，是初始温度值。如果热变形不受任何约束时，则结构上有变形而不引起应力。但是，结构由于
10、约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时，则在螺栓和连接件中会产生附加的热应力。膨胀系数小的材料受到附加的拉应力，膨胀系数大的材料受到附加的压应力。热应力与螺栓预紧力矩产生的预应力叠加，有可能产生热应力松弛。图6 螺栓预紧力引起的应力分布范围对于单搭接板连接件，图6示出了螺栓预紧力在连接板上引起的应力分布情况，对于圆头螺栓，预紧力引起的变形区A和无变形区B均为圆柱体，对于图3所示的方头螺栓，A区和B区近似为圆柱体。圆柱体A在柱坐标下的应力为： ， （4）圆柱体B在柱坐标下的应力为： ， （5）式中为计算点到孔轴线的距离；、分别为柱坐标、方向的泊松比，对于二维碳布穿刺的C/SiC材料，可
11、以认为是面内各向同性，则有；为螺栓头下面积上的单位压力。（4）、（5）式表明。螺栓预紧力使得连接件在压缩圆柱体A的边界内产生的完全是压应力，在边界外则作用着径向压应力和切向拉应力。热应力导致的或与、叠加后，预应力的变化情况比较复杂。若螺栓、连接件的温升、已知，则可以计算出热应力载荷为： （6）式中下角标分别表示螺栓和连接件，、分别表示螺栓和连接件的刚度。对于图6的单搭接板，有： （7）式中为复合材料连接件在厚度方向的弹性模量，为螺钉头折算成圆面积后对应的直径。这样，在高温使用条件下螺栓的预紧力矩公式（1）即可修正为： （8）3 高温连接刚度的试验获取技术本文下面提出以典型连接件的动力学试验，通
12、过多状态试验数据的对比判断给出了高温条件下连接刚度以及螺栓预紧力的变化的新技术途径。图6螺栓单搭接板典型构件的频率特性与组合刚度的均方根值成正比，而刚度是结构本身刚度与螺栓连接和预紧力刚度的串联，则可以得到下式： （9）式中下角标表示频率的阶数，是与结构几何和质量特性有关的参数，对于具体结构的为定值，将（9）式中结构本身刚度与热应力相关项单独提取出来为，则剩余项与结构不同温度下的弹性模量具有相同的变化规律。讨论时忽略频率的阶数，可将（9）式改写为： （10）在工程应用中，存在的难点主要是通过不同状态的试验数据对（10）式中各项解耦。对此，考虑了5组试验如下：首先，采用与连接板同一批次的复合材料
13、进行标准件强度试验，获得材料真实的弹性模量。其次，采用与连接板相同的材料设计一个具有相同形状但不包含连接的参考板，进行参考板常温下状态下的动特性试验，此时有。通过试验得到的和，可解算出（10）式中对应的。然后，对于参考板进行高温下的模态试验，温度场与真实条件相同，通过本项试验与前面试验得到的、和，可解算出（10）式中对应的。完成上述工作后，再进行真实连接结构的模态试验，通过常温和高温条件下试验结果的解算，即可获得对应条件下的数据。4 高温条件模态试验和连接刚度识别对参考板和典型连接板常温下的动力学试验以及典型连接板的高温模态试验分别见图7和图8。其中，温度为1100热环境下的模态试验是目前结构
14、动力学专业最前沿的试验技术。 图7 参考板与典型连接板在常温下的动力学试验图8 典型连接板的高温模态试验常温模态试验中，将4个螺栓的预紧力矩分别设置为2.5Nm和3.5Nm得到的自由状态1阶频率分别为249Hz和254Hz，验证了连接刚度将影响试验件的频率特性。然后进行高温模态试验，常温预紧力矩为3.5Nm的试验件在1100状态下的自由1阶频率为480Hz，表明了典型连接板在高温状态下的频率远远高于常温状态。对此分析认为C/SiC材料的高温拉/压弹性模量较常温变化不大，但弯曲弹性模量具有明显的增长，是频率明显升高的主要原因。频率升高的另一个原因是高温连接刚度大于常温连接刚度。按照本文前面推导的方法，分别计算得出常温状态下的结构本身刚度与螺栓连接刚度的比值是1:0.08，而在1100状态下的与比值是1:0.14。在1100状态下的连接刚度较常温连接刚度有了明显的提高。5 结论本文以C/SiC典型连接结构为对象，研究复合材料热结构连接刚度的试验分析方法。基于常温试验分析了C/SiC螺栓预紧力矩与螺栓轴向力之间的关系。分析了连接件在高温使用环境下影响预紧力变化的因素，对预紧力矩公式进行了修正。进行了常温和高温条件下典型连接件的动力学试验，通过多状态试验数据的分析，获得了得出常温和高温条件下结构刚度的变化，建立了一种通
