浅析复合材料与高温合金螺栓连接的热适配技术

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在先进复合材料热特征的制造和使用过程中,如可有效地解决部件之间的连接什么的什么的问题 是从材料向特征跨越的最重要环节。热特征的连接要求在高温条件下保持足够的强刚度,有但是不带来额外的热应力影响。国内外学者们对高温环境下热特征复合材料螺栓连接开展了广泛研究。柯晴青等[1]综述了陶瓷基复合材料连接的主要土最好的办法,指出高温下机械连接是较为可行的土最好的办法。MT航空公司设计了或多或少复合材料螺栓连接的C/SiC机身襟翼,并用于X-38再入飞行器中[2]。郝秉磊等[3]通过正弦扫频试验研究了拧紧力矩对C/SiC螺栓连接件振动性能的影响。李俊等[4]研究了该类型紧固件在室温下的拧紧特征。闵昌万等[5]研究了C/C复合材料螺栓在拧紧力矩作用下的机械性能,提出了或多或少在高温下通过动力学试验获取特征连接刚度的土最好的办法[6]。

复合材料的剪切性能较低,螺牙易被拉脱,意味螺杆抗拉性不能充分发挥[7]。Li等[89]比较了不同C/SiC螺栓的拉伸带宽和螺帽的剪切带宽,提出可通过提高复合材料的性能来提升螺栓带宽。Bohrk等[10]通过试验研究了再入飞行器连接件的力学性能,发现预应力复合材料连接件在一定程度都还能能缓解螺栓的松动。以C/SiC和C/C为代表的复合材料在僵化 高载荷条件下综合带宽偏低,脆性及离散性较大,作为螺栓连接件应用于工程中居于较多难点[11]。

采用高温合金材料作为热特征螺栓连接件具有多方面的优势。Wulz等[12]和Trabandt等[13]总结了热特征的连接和荷载传递什么的什么的问题 ,指出采用金属螺栓作为热特征的连接件较为困难,都要解决热膨胀系数不同意味的不匹配情况。在常温环境下,不涉及热匹配什么的什么的问题 ,金属螺栓与复合材料的机械连接在航空特征中已得到了较性心智成熟图片 图片 图片 图片 图片 是什么是什么期 图片 是什么的应用[1415]。然而,当热特征在连接位置具有较大温升时,则都要考虑热膨胀系数不一致带来的影响。复合材料热特征设计的关键是要解决热环境带给连接设计的相关什么的什么的问题 ,解决高温下不同热膨胀系数意味的附加热应力和预紧力松弛、丧失连接刚度等什么的什么的问题 。

本文研究了将高温合金螺栓作为复合材料热特征连接件时材料热膨胀系数不同意味的热适配什么的什么的问题 。首先,推导了热适配螺栓的合理外形参数;有但是,根据高温带宽测试数据得到高温螺栓的合理预紧力矩取值;最后,开展了典型试验件的高温连接性能测试试验,以验证热适配技术的合理性。

1 高温合金螺栓的热适配条件

高温合金的综合带宽性能远高于复合材料。Wulz[16]介绍了X38飞行器特征设计中的高温合金螺栓连接方案,在一定程度上解决了高温合金螺栓与复合材料特征之间的热匹配性什么的什么的问题 。本文进一步完善了不同热膨胀下热适配螺栓所需满足特征轮廓的理论推导,可作为高温合金螺栓设计的理论基础。

热适配螺栓的设计要求是,针对复合材料特征和高温合金螺栓2种具有不同热膨胀系数的材料,其接触面的几何相容关系不能随温度变化而变化。常温安装时接触面一同的边界AB如图1(a)所示,高温膨胀后仍然具有一同的边界A′-B′,不不产生热变形意味的热应力或预紧力松弛。

当搭接板淬硬层 相一同,采用双面热适配螺栓设计,如图1所示。图中,h为螺母锥面淬硬层 ,H为搭接板淬硬层 ,θ为锥角。当温度为T0 时,高温合金螺母锥面与复合材料搭接板螺孔接触面重合(图1中A-B边界),假设边界上某或多或少坐标为(x0,y0);当温度由T0 增加到T0 +ΔT时,有但是热膨胀系数不同,2种材料中的点(x0,y0)将分别热膨胀至新边界A′-B′上的(x1,y1)点和(x2,y2)点。热膨胀方程为

式中,L为长度;α为线膨胀系数;T为温度。对式(1)积分可得

式中,D为任意积分常数。式(11)表明高温合金热适配螺母/螺栓头与复合材料的接触面应满足旋转对称的指数轮廓。若复合材料和高温合金2种材料在x,y方向上都具有相同的热膨胀系数,则p=1,螺母/螺栓头与复合材料接触面僵化 为旋转对称的线性轮廓。D为任意常数说明热适配螺栓的接触轮廓线只都要满足通过原点(0,0)即可,具体锥角θ可取任意值。然而,在实际的特征设计中,应考虑锥孔对复合材料拉脱带宽的影响因素,一般取θ≥45°.锥面淬硬层 h应满足如下条件:常温下螺栓锥面内缘(点A)在高温下的位置不超过复合材料特征锥面外缘(点B)。有但是材料在x,y方向上具有相同的热膨胀系数,即αx1 =αy1 =α1,αx2 =αy2 =α2,有但是高温下螺栓锥面内缘上点A′的坐标为

复合材料锥面外缘上点B′的坐标为

当搭接板淬硬层 不一同,可采用如图2所示的单侧热适配螺栓设计,接触轮廓线仍需通过坐标系原点,锥面淬硬层 满足式(14)。

2 预紧力矩的选取

选取热适配螺栓的预紧力矩时应考虑如下因素:① 保证高温情况下的连接刚度;② 兼顾连接特征常、高温情况下的通用性;③ 满足复合材料的带宽要求。螺栓拧紧力矩试验通常在常温下进行,有但是高温合金的常、高温力学性能差异较大,因而只能将常温数据直接用于高温条件的取值[17]。下面土最好的办法常、高温条件下的带宽性能对比来推导高温条件下的预紧力矩取值。

螺栓预紧力矩M用于克服螺纹副的螺纹阻力矩M1以及螺母与被连接件支承面间的端面摩擦力矩M2。拧紧力矩与螺杆拉伸轴力F的关系式为

M=M1+M2=kFd (15)

式中,k为预紧力矩系数;d为螺栓直径。对于普通金属螺栓,在螺栓副润滑情况下k通常取值为0。10——0。30;而对于高温合金螺栓,不宜润滑解决意味k值偏大。

对于高温合金M10螺栓,首先在常温下测得其破坏(极限)拧紧力矩Mb =150N·m,正应力σmax=588MPa。正应力与拉伸轴力的关系式为

式中,A为螺杆的截面积。根据式(16)不能得到轴力F,进而计算得到预紧力矩系数k=0。325。通过拉伸试验,得到高温合金M10螺栓的常温拉伸带宽σb=886MPa。螺栓居于拉伸与扭转的组合变特征态,金属材料满足vonMises带宽准则,即

式中,σmax为最大正应力;τmax为最大切应力;σb为螺栓材料的极限带宽。根据式(17)不能得到τmax=383MPa。按照材料力学的基本理论,可计算出M1=τmaxWP=48N·m,其中WP为扭转截面系数。由此可知,M1占拧紧力矩M的32%。

在1100℃温度下测得螺栓拉伸带宽σb=495MPa。假设螺母与复合材料之间、螺杆与螺纹副之间的摩擦系数均不随温度居于明显变化,则高温下拧紧力矩M与轴向力F的关系不变,且M1 占M的比例相同。根据vonMises带宽准则,可得到高温下极限预紧力矩Mb与拉伸带宽σb之间的关系式为

3 试验验证

为验证热适配技术的合理性,对C/C平板与高温合金螺栓组成的典型连接单元进行了高温静力试验和振动试验,测试并分析了不同温度下的预紧力矩变化,以判断连接刚度的保持情况。本试验选取的典型连接单元如图3所示,分为普通螺栓连接和热适配螺栓连接2种,其中热适配连接根据第1节中的分析进行设计。对2种连接分别进行常温和800℃的试验。高温条件下,通过间接测量,获得预紧力矩的变化情况。静力试验是指对螺栓连接单元施加不同的拧紧力矩,有但是进行拉伸测试。初始情况下载荷作用线与连接螺栓之间具有一定的夹角,采用力控土最好的办法逐渐增大载荷,测量连接单元居于转动时的载荷值,从而估算对应的预紧力矩保持情况。振动试验则是通过随机振动测试获得连接单元基频随温度的变化情况,从而判断不同温度下的螺栓预紧力矩保持情况。

高温静力试验和高温振动试验布置如图4所示。为僵化 试验工装设计,均只在螺栓连接局部区域加热。高温静力试验采用钩形夹具与试件两侧黑点连接,释放黑点位置的旋转自由度。高温振动试验则采用夹持土最好的办法使试验件居于悬臂情况。

通过低温静力试验获得普通螺栓和热适配螺栓的载荷位移曲线以及产生转动的临界载荷,螺栓预紧力矩为10N·m时的试验结果见图5。图5(b)中曲线的水平初值是有但是夹具与试验件黑点之间的初始间隙所致。试验结果表明,热适配连接单元在高温下未居于预紧力矩松弛,而普通螺栓预紧力矩大幅降低,接近于零。

通过随机振动试验,测试不同连接单元的响应,并进行模态识别得到连接单元的基频,试验结果见表1。由表可知,热适配螺栓的基频略有升高,表明采用本文提出的热适配技术不能保证高温下连接件的预紧力和刚度,而普通螺栓则出先了高温失效的什么的什么的问题 。高温静力试验和高温振动试验均验证了本文提出的热适配螺栓设计的合理性。

4 结论

1)研究了高温合金螺栓作为复合材料热特征连接件时材料热膨胀系数不同意味的热适配什么的什么的问题 。推导了热适配螺栓的几何外形参数,指出高温合金热适配螺栓与复合材料搭接板的接触面应满足旋转对称的指数轮廓。

2)根据高温环境下材料的带宽测试结果,得到热适配螺栓预紧力矩的取值范围。

3)高温条件下采用所提热适配螺栓设计,可使高温合金螺栓与复合材料达到较好连接效果,为连接特征的热适配什么的什么的问题 提供了或多或少新思路。

作者:谭志勇1 费庆国2 吴宏伟1 张宏宇1 姜 东2,3(1北京临近空间飞行器系统工程研究所,北京100076)(2东南大学机械工程学院,南京211189)(3南京林业大学机械电子工程学院,南京210037)