復(fù)合材料與高溫合金螺栓連接的熱適配技術(shù)

譚志勇 費(fèi)慶國(guó) 吳宏偉 張宏宇 姜 東, 3

(1北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)(2東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)(3南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院, 南京 210037)

復(fù)合材料與高溫合金螺栓連接的熱適配技術(shù)

譚志勇1費(fèi)慶國(guó)2吳宏偉1張宏宇1姜 東2, 3

(1北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)(2東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)(3南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院, 南京 210037)

為了改善高溫環(huán)境下螺栓連接力學(xué)性能,避免熱膨脹不匹配所導(dǎo)致的預(yù)緊力松弛,研究了高溫合金螺栓連接的熱適配技術(shù)．首先,推導(dǎo)了熱適配螺栓的外形參數(shù),指出高溫合金熱適配螺栓與復(fù)合材料的接觸面應(yīng)滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的指數(shù)輪廓．然后,考慮到螺栓擰緊力矩試驗(yàn)通常在常溫下進(jìn)行,通過(guò)比較常、高溫條件下的強(qiáng)度性能,推導(dǎo)出高溫條件下螺栓預(yù)緊力矩的合理取值．最后,開(kāi)展了普通螺栓與高溫合金熱適配螺栓典型連接單元的靜力試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果表明,熱適配連接單元在高溫下未發(fā)生預(yù)緊力矩松弛,而普通螺栓預(yù)緊力矩則明顯下降,從而驗(yàn)證了所提熱適配技術(shù)的有效性．

復(fù)合材料;熱結(jié)構(gòu);高溫合金螺栓;熱適配連接;預(yù)緊力矩

在先進(jìn)復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的制造和使用過(guò)程中,如何有效地解決部件之間的連接問(wèn)題是從材料向結(jié)構(gòu)跨越的最重要環(huán)節(jié)．熱結(jié)構(gòu)的連接要求在高溫條件下保持足夠的強(qiáng)剛度,并且不帶來(lái)額外的熱應(yīng)力影響．國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)高溫環(huán)境下熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料螺栓連接開(kāi)展了廣泛研究．柯晴青等[1]綜述了陶瓷基復(fù)合材料連接的主要方法,指出高溫下機(jī)械連接是較為可行的方法．MT航空公司設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料螺栓連接的C/SiC機(jī)身襟翼,并用于X-38再入飛行器中[2]．郝秉磊等[3]通過(guò)正弦掃頻試驗(yàn)研究了擰緊力矩對(duì)C/SiC螺栓連接件振動(dòng)性能的影響．李俊等[4]研究了該類(lèi)型緊固件在室溫下的擰緊特性．閔昌萬(wàn)等[5]研究了C/C復(fù)合材料螺栓在擰緊力矩作用下的機(jī)械性能,提出了一種在高溫下通過(guò)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)連接剛度的方法[6]．

復(fù)合材料的剪切性能較低,螺牙易被拉脫,導(dǎo)致螺桿抗拉性能不能充分發(fā)揮[7]．Li等[8-9]比較了不同C/SiC螺栓的拉伸強(qiáng)度和螺帽的剪切強(qiáng)度,提出可通過(guò)提高復(fù)合材料的性能來(lái)提升螺栓強(qiáng)度．B?hrk等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了再入飛行器連接件的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力復(fù)合材料連接件在一定程度上能夠緩解螺栓的松動(dòng)．以C/SiC和C/C為代表的復(fù)合材料在復(fù)雜高載荷條件下綜合強(qiáng)度偏低,脆性及離散性較大,作為螺栓連接件應(yīng)用于工程中存在較多難點(diǎn)[11]．

采用高溫合金材料作為熱結(jié)構(gòu)螺栓連接件具有多方面的優(yōu)勢(shì)．Wulz等[12]和Trabandt等[13]總結(jié)了熱結(jié)構(gòu)的連接和荷載傳遞問(wèn)題,指出采用金屬螺栓作為熱結(jié)構(gòu)的連接件較為困難,需要解決熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的不匹配情況．在常溫環(huán)境下,不涉及熱匹配問(wèn)題,金屬螺栓與復(fù)合材料的機(jī)械連接在航空結(jié)構(gòu)中已得到了較成熟的應(yīng)用[14-15]．然而,當(dāng)熱結(jié)構(gòu)在連接位置具有較大溫升時(shí),則必須考慮熱膨脹系數(shù)不一致帶來(lái)的影響．復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要解決熱環(huán)境帶給連接設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題,避免高溫下不同熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致的附加熱應(yīng)力和預(yù)緊力松弛、喪失連接剛度等問(wèn)題．

本文研究了將高溫合金螺栓作為復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)連接件時(shí)材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的熱適配問(wèn)題．首先,推導(dǎo)了熱適配螺栓的合理外形參數(shù);然后,根據(jù)高溫強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)得到高溫螺栓的合理預(yù)緊力矩取值;最后,開(kāi)展了典型試驗(yàn)件的高溫連接性能測(cè)試試驗(yàn),以驗(yàn)證熱適配技術(shù)的合理性．

1 高溫合金螺栓的熱適配條件

高溫合金的綜合強(qiáng)度性能遠(yuǎn)高于復(fù)合材料．Wulz[16]介紹了X-38飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的高溫合金螺栓連接方案,在一定程度上解決了高溫合金螺栓與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間的熱匹配性問(wèn)題．本文進(jìn)一步完善了不同熱膨脹下熱適配螺栓所需滿足形狀輪廓的理論推導(dǎo),可作為高溫合金螺栓設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)．

熱適配螺栓的設(shè)計(jì)要求是,針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和高溫合金螺栓2種具有不同熱膨脹系數(shù)的材料,其接觸面的幾何相容關(guān)系能夠隨溫度變化而變化．常溫安裝時(shí)接觸面共同的邊界A-B如圖1(a)所示,高溫膨脹后仍然具有共同的邊界A′-B′,不會(huì)產(chǎn)生熱變形導(dǎo)致的熱應(yīng)力或預(yù)緊力松弛．

(a) 雙面熱適配螺栓

(b) T0+ΔT時(shí)的接觸面

當(dāng)搭接板厚度相同時(shí),采用雙面熱適配螺栓設(shè)計(jì),如圖1所示.圖中，h為螺母錐面高度,H為搭接板厚度,θ為錐角.當(dāng)溫度為T(mén)0時(shí),高溫合金螺母錐面與復(fù)合材料搭接板螺孔接觸面重合(圖1中A-B邊界),假設(shè)邊界上某一點(diǎn)坐標(biāo)為(x0,y0);當(dāng)溫度由T0增加到T0+ΔT時(shí),由于熱膨脹系數(shù)不同,2種材料中的點(diǎn)(x0,y0)將分別熱膨脹至新邊界A′-B′上的(x1,y1)點(diǎn)和(x2,y2)點(diǎn)．熱膨脹方程為

(1)

式中,L為長(zhǎng)度;α為線膨脹系數(shù);T為溫度．

對(duì)式(1)積分可得

L=L0eα(T-T0)=L0eαΔT

(2)

式中,T=T0+ΔT．

在圖1(b)中,溫度由T0增加到T0+ΔT,對(duì)于A-B邊界上任意一點(diǎn) (x,y),在高溫合金和復(fù)合材料2種材料中的新坐標(biāo)滿足指數(shù)關(guān)系．對(duì)于高溫合金材料有

x1=xeαx1ΔT,y1=yeαy1ΔT

(3)

對(duì)于復(fù)合材料有

x2=xeαx2ΔT,y2=yeαy2ΔT

(4)

式中,αx1,αy1分別為高溫合金中x,y方向上的熱膨脹系數(shù);αx2,αy2分別為復(fù)合材料中x,y方向上的熱膨脹系數(shù)．

將式(3)和(4)分別取對(duì)數(shù)可得

lnx1=lnx+αx1ΔT,lny1=lny+αy1ΔT

(5)

lnx2=lnx+αx2ΔT,lny2=lny+αy2ΔT

(6)

令Y=lny,X=lnx,則式(5)和(6)可變換為

X1=X+αx1ΔT,Y1=Y+αy1ΔT

(7)

X2=X+αx2ΔT,Y2=Y+αy2ΔT

(8)

由式(7)和(8)可得

(9)

令p=(ay1-ay2)/(ax1-ax2),則由式(9)可得

Y=pX+C

(10)

式中,C為積分常數(shù)．

根據(jù)Y與y,X與x的關(guān)系,得出A-B邊界需滿足的方程形式為

y=eCxp=Dxp

(11)

式中,D為任意積分常數(shù)．式(11)表明高溫合金熱適配螺母/螺栓頭與復(fù)合材料的接觸面應(yīng)滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的指數(shù)輪廓．若復(fù)合材料和高溫合金2種材料在x,y方向上都具有相同的熱膨脹系數(shù),則p=1,螺母/螺栓頭與復(fù)合材料接觸面簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的線性輪廓．D為任意常數(shù)說(shuō)明熱適配螺栓的接觸輪廓線只需要滿足通過(guò)原點(diǎn)(0, 0)即可,具體錐角θ可取任意值．然而,在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮錐孔對(duì)復(fù)合材料拉脫強(qiáng)度的影響因素,一般取θ≥45°．

錐面高度h應(yīng)滿足如下條件:常溫下螺栓錐面內(nèi)緣(點(diǎn)A)在高溫下的位置不超過(guò)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)錐面外緣(點(diǎn)B)．由于材料在x,y方向上具有相同的熱膨脹系數(shù),即αx1=αy1=α1,αx2=αy2=α2,因此高溫下螺栓錐面內(nèi)緣上點(diǎn)A′的坐標(biāo)為

(12)

復(fù)合材料錐面外緣上點(diǎn)B′的坐標(biāo)為

(13)

由約束條件y1-y2<0可得

h>H(1-e(α2-α1)ΔT)

(14)

當(dāng)搭接板厚度不同時(shí),可采用如圖2所示的單側(cè)熱適配螺栓設(shè)計(jì),接觸輪廓線仍需通過(guò)坐標(biāo)系原點(diǎn),錐面高度滿足式(14)．

圖2 單側(cè)熱適配螺栓設(shè)計(jì)

2 預(yù)緊力矩的選取

確定熱適配螺栓的預(yù)緊力矩時(shí)應(yīng)考慮如下因素:① 保證高溫狀態(tài)下的連接剛度;② 兼顧連接結(jié)構(gòu)常、高溫狀態(tài)下的通用性;③ 滿足復(fù)合材料的強(qiáng)度要求．螺栓擰緊力矩試驗(yàn)通常在常溫下進(jìn)行,由于高溫合金的常、高溫力學(xué)性能差異較大,因而不能將常溫?cái)?shù)據(jù)直接用于高溫條件的取值[17]．下面依據(jù)常、高溫條件下的強(qiáng)度性能對(duì)比來(lái)推導(dǎo)高溫條件下的預(yù)緊力矩取值．

螺栓預(yù)緊力矩M用于克服螺紋副的螺紋阻力矩M1以及螺母與被連接件支承面間的端面摩擦力矩M2．?dāng)Q緊力矩與螺桿拉伸軸力F的關(guān)系式為

M=M1+M2=kFd

(15)

式中,k為預(yù)緊力矩系數(shù);d為螺栓直徑．對(duì)于普通金屬螺栓,在螺栓副潤(rùn)滑狀態(tài)下k通常取值為0.10～0.30;而對(duì)于高溫合金螺栓,不宜潤(rùn)滑處理導(dǎo)致k值偏大．

對(duì)于高溫合金M10螺栓,首先在常溫下測(cè)得其破壞(極限)擰緊力矩Mb=150 N·m,正應(yīng)力σmax=588 MPa．正應(yīng)力與拉伸軸力的關(guān)系式為

(16)

式中,A為螺桿的截面積．根據(jù)式(16)可以得到軸力F,進(jìn)而計(jì)算得到預(yù)緊力矩系數(shù)k=0.325．

通過(guò)拉伸試驗(yàn),得到高溫合金M10螺栓的常溫拉伸強(qiáng)度σb=886 MPa．螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的組合變形狀態(tài),金屬材料滿足von Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則,即

(17)

式中,σmax為最大正應(yīng)力;τmax為最大切應(yīng)力;σb為螺栓材料的極限強(qiáng)度．根據(jù)式(17)可以得到τmax=383 MPa．按照材料力學(xué)的基本理論,可計(jì)算出M1=τmaxWP=48 N·m,其中WP為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)．由此可知,M1占擰緊力矩M的32%．

在1 100 ℃溫度下測(cè)得螺栓拉伸強(qiáng)度σb=495 MPa．假設(shè)螺母與復(fù)合材料之間、螺桿與螺紋副之間的摩擦系數(shù)均不隨溫度發(fā)生明顯變化,則高溫下擰緊力矩M與軸向力F的關(guān)系不變,且M1占M的比例相同．根據(jù)von Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則,可得到高溫下極限預(yù)緊力矩Mb與拉伸強(qiáng)度σb之間的關(guān)系式為

(18)

將各參數(shù)值代入式(18),可得1 100 ℃高溫下M10螺栓的極限擰緊力矩Mb≈ 81 N·m,約為常溫極限擰緊力矩的54%．

對(duì)于1 000～1 200 ℃下的高溫合金螺栓,其預(yù)緊力矩M為

M=uMbu∈[0.2,0.3]

(19)

若式(19)中Mb的系數(shù)取0.25,得到常溫下施加的預(yù)緊力矩約為20 N·m．

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證熱適配技術(shù)的合理性,對(duì)C/C平板與高溫合金螺栓組成的典型連接單元進(jìn)行了高溫靜力試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn),測(cè)試并分析了不同溫度下的預(yù)緊力矩變化,以判斷連接剛度的保持情況．

本試驗(yàn)選取的典型連接單元如圖3所示,分為普通螺栓連接和熱適配螺栓連接2種,其中熱適配連接根據(jù)第1節(jié)中的分析進(jìn)行設(shè)計(jì)．對(duì)2種連接分別進(jìn)行常溫和800 ℃的試驗(yàn)．高溫條件下,通過(guò)間接測(cè)量,獲得預(yù)緊力矩的變化情況．靜力試驗(yàn)是指對(duì)螺栓連接單元施加不同的擰緊力矩,然后進(jìn)行拉伸測(cè)試．初始狀態(tài)下載荷作用線與連接螺栓之間具有一定的夾角,采用力控方式逐漸增大載荷,測(cè)量連接單元發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的載荷值,從而估算對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力矩保持情況．振動(dòng)試驗(yàn)則是通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試獲得連接單元基頻隨溫度的變化情況,從而判斷不同溫度下的螺栓預(yù)緊力矩保持情況．

高溫靜力試驗(yàn)和高溫振動(dòng)試驗(yàn)布置如圖4所示．為簡(jiǎn)化試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì),均只在螺栓連接局部區(qū)域加熱．高溫靜力試驗(yàn)采用鉤形夾具與試件兩側(cè)小孔連接,釋放小孔位置的旋轉(zhuǎn)自由度．高溫振動(dòng)試驗(yàn)則采用夾持方式使試驗(yàn)件處于懸臂狀態(tài)．

(a) 普通螺栓連接

(b) 熱適配螺栓連接

(c) 熱適配螺栓錐形截面 (單位：mm)

(a) 高溫靜力試驗(yàn)

(b) 高溫振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)高溫靜力試驗(yàn)獲得普通螺栓和熱適配螺栓的載荷-位移曲線以及產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界載荷,螺栓預(yù)緊力矩為10 N·m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5．圖5(b)中曲線的水平初值是由于夾具與試驗(yàn)件小孔之間的初始間隙所致．試驗(yàn)結(jié)果表明,熱適配連接單元在高溫下未發(fā)生預(yù)緊力矩松弛,而普通螺栓預(yù)緊力矩大幅降低,接近于零．

(a) 普通螺栓連接

(b) 熱適配螺栓連接

通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),測(cè)試不同連接單元的響應(yīng),并進(jìn)行模態(tài)識(shí)別得到連接單元的基頻,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1．由表可知,熱適配螺栓的基頻略有升高,表明采用本文提出的熱適配技術(shù)能夠保證高溫下連接件的預(yù)緊力和剛度,而普通螺栓則出現(xiàn)了高溫失效的現(xiàn)象．高溫靜力試驗(yàn)和高溫振動(dòng)試驗(yàn)均驗(yàn)證了本文提出的熱適配螺栓設(shè)計(jì)的合理性．

表1 不同連接單元的轉(zhuǎn)動(dòng)臨界載荷與基頻

4 結(jié)論

1) 研究了高溫合金螺栓作為復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)連接件時(shí)材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的熱適配問(wèn)題．推導(dǎo)了熱適配螺栓的幾何外形參數(shù),指出高溫合金熱適配螺栓與復(fù)合材料搭接板的接觸面應(yīng)滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的指數(shù)輪廓．

2) 根據(jù)高溫環(huán)境下材料的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,得到熱適配螺栓預(yù)緊力矩的取值范圍．

3) 高溫條件下采用所提熱適配螺栓設(shè)計(jì),可使高溫合金螺栓與復(fù)合材料達(dá)到較好連接效果,為連接結(jié)構(gòu)的熱適配問(wèn)題提供了一種新思路．

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Thermal adaptive technique for connecting composite material and high-temperature alloy bolt

Tan Zhiyong1Fei Qingguo2Wu Hongwei1Zhang Hongyu1Jiang Dong2,3

(1Beijing Institute of Nearspace Vehicle’s Systems Engineering, Beijing 100076, China)(2School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(3College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

To improve the mechanical performance of bolted connections at the high temperature and avoid the reduction of pre-tightening torque due to the mismatch of thermal expansion, the thermal adaptive technique for high temperature alloy bolt joints is investigated. First, the profile parameters of the thermal adaptive bolt is derived. The interface profile between the thermal adaptive bolt and the composite material is exponential form which satisfies rotational symmetry. Then, considering that the pre-tightening torque experiment is often carried out at the room temperature, the reasonable pre-tightening torque of the high-temperature alloy bolt is derived by comparing the mechanical performance at the room temperature and at the high temperature. Finally, the static and dynamic tests on two typical connection units for the normal bolted joint and the thermal adaptive bolted joint are carried out. The experimental results show that the pre-tightening torque of the thermal adaptive joint unit remains unchanged at the high temperature while that of the normal joint unit decreases obviously, and thus the effectiveness of the proposed thermal adaptive technique is verified.

composite material; thermal structure; high temperature alloy bolt; thermal adaptive connector; pre-tightening torque

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.023

2016-07-11. 作者簡(jiǎn)介: 譚志勇(1965—), 男, 博士, 研究員, tanzhy_01@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572086, 11602112)、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-11-0086).

譚志勇,費(fèi)慶國(guó),吳宏偉,等.復(fù)合材料與高溫合金螺栓連接的熱適配技術(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):337-342.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.023.

TB332；O341

A

1001-0505(2017)02-0337-06