浅析超声速飞行器紧固件的选用方法
2016-02-15陈龙马俊飞闫景玉王再玉金佳超
陈龙,马俊飞,闫景玉,王再玉,金佳超
(中航工业洪都,江西南昌,330024)
浅析超声速飞行器紧固件的选用方法
陈龙,马俊飞,闫景玉,王再玉,金佳超
(中航工业洪都,江西南昌,330024)
随着超声速飞行器飞行马赫数的不断提高,以及钛合金材料在飞行器结构中的使用比重日益增加,传统合金结构钢紧固件已经无法满足使用要求,本文从高温热膨胀和电偶腐蚀两个方面,对紧固件选用合理性进行分析,可为高温环境下紧固件的选用提供参考。
超声速;紧固件;钛合金;预紧力;电偶腐蚀
0 引言
随着超声速飞行器飞行速度不断提高,其结构材料的选型也逐渐趋向于轻量化,使轻质、高强、耐腐蚀的材料,得到了更广泛的研究和应用。而钛及钛合金的密度小,又具有高的热强性和持久强度,对在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展的敏感性低,并且有良好的耐蚀性,因此,在发动机及壳体结构中优先采用高强度的钛及钛合金[1-2]。
针对结构材料的变化,传统合金钢材料紧固件已经无法满足超声速飞行器国内某技术标准的需要,本文从热膨胀和电偶腐蚀两方面,分析不同基体、夹层材料如何选择合适材料的紧固件。
1 热膨胀对螺纹连接的影响
对于螺钉、螺栓、螺桩,在受到工作载荷之前,为了增强连接的可靠性和紧密性,以防止受到载荷后连接件间出现缝隙或者相对滑移而预先加的轴向拉力,称为预紧力。本质是由于螺钉、螺栓、螺桩拉伸弹性变形产生的应力[1]。
由于超音速飞行器国内某技术标准表面工作温度高,普遍超过300℃,因此,夹层、基体、螺钉都会产生热膨胀,如果三个部分使用的材料不同,那么由于热膨胀系数不同,升高相同的温度,沿螺钉轴向的伸长量也会不同,影响到产生预紧力的应变的大小,从而影响预紧力的大小。
图1为典型螺钉连接结构,当夹层1与紧固件为异种材料时,由于两者热膨胀系数不同,将导致紧固件在工作温度下预紧力发生改变,甚至失效。
根据图1,设夹层1、夹层2、紧固件的平均线膨胀系数分别为α1、α2、α3,紧固件的弹性模量为E3。当温度升高,夹层、螺钉均会发生热膨胀,对图所示结构分别进行轴向受力分析如下。
在非工作状态下,图示结构仅受初始预紧力的作用,设为F0。设预紧力导致的螺栓轴向伸长量为Δl0,螺纹应力面积为AS(见表1),则有:
图1 螺钉、螺栓连接结构示意图
表1 粗牙螺纹螺栓(螺钉、螺桩)的应力截面积
表2 常用金属材料线膨胀系数
由于F0为拉力,因此设伸长为正,压缩为负。设当温度升高Δt℃,夹层1、夹层2、紧固件的膨胀量分别为Δl1、Δl2、Δl3,则有:
由于温度升高造成的螺钉相对伸长量为:
则造成的预紧力变化量为:
则升温后预紧力变为:
对于额外增加防松处理(如打保险)的紧固件,其最小预紧力保证大于0即可。
对于未增加防松处理的紧固件,预紧力的大小根据螺栓组受力和连接的工作要求决定。一般情况下,规定拧紧紧固件的预紧应力不大于其屈服强度σS的80%[3]。
下面对不同材料连接结构各取一种典型情况进行分析。
表3 典型连接形式
对表3中4组连接形式,分别选取紧固件直径为M6,材料分别为30CrMnSiA、Ti-6A1-4V进行分析。典型工作温度取400℃。线膨胀系数等如下表4。
表4 相关参数
根据计算可得:
从表5可以看出,当夹层与紧固件均为同种材料时,由于材料线膨胀系数一致,因此不会导致预紧力的变化。但是,当夹层与紧固件为异种材料时,预紧力都发生了不同程度的变化。尤其是1中预紧力减少了5098N,变化率达到-38.6%,预紧力损失严重。
当紧固件材料的线膨胀系数大于夹层的线膨胀系数时,尤其要注意预紧力的损失可能会造成高温工作环境下紧固件的失效。当夹层材料不一致时,要充分分析不同线膨胀系数材料的紧固件的影响,选择最优的紧固件材料。
表5 高温条件预紧力变化量(400℃)
2 电偶腐蚀对螺纹连接的影响
由于钛合金的电位较正,当它与其他金属连接组成组合件时,钛合金会引起与之接触的其他金属材料的电偶腐蚀,也称为接触腐蚀[4]。以Ti-6A1-4V钛合金为例,Ti-6A1-4V钛合金与结构钢和铝合金接触时会产生接触腐蚀,降低强度,具体性能变化见表6。
表6 Ti-6A1-4V与结构钢和铝合金接触腐蚀性能变化
从表6可以看出,当30CrMnSiA紧固件与Ti-6A1-4V钛合金接触时,如果不采用防护处理,5个月强度损失高达92%;采用航空常用的氰化镀锌钝化处理,5个月强度损失依然高达10.2。
因此当30CrMnSiA螺栓遇到与TI-6A1-4V接触的情况,会给飞行器的正常工作带来强度降低的风险。
3 结论
紧固件的选择不但需要考虑热连接的匹配性,在高温工作环境中,当紧固件材料的线膨胀系数高于夹层材料线膨胀系数时,会导致紧固件的实际预紧力下降,严重时会造成紧固件的防松失效;当紧固件材料的线膨胀系数低于夹层材料的线膨胀系数时,会导致紧固件预紧力增加,当紧固件实际预紧应力与其最大工作载荷应力之和超过紧固件的屈服极限时,紧固件将失效。
在选择紧固件时,要充分考虑其与基体材料间的电位差,选择合适的材料才能避免电偶腐蚀的发生,另外也可以通过选择合适的螺纹涂层及表面处理工艺,限制紧固件的电偶腐蚀。
[1]胡涛,等.巡航飞行器国内某技术标准的发展趋势[J].航空兵器,2002,(3):42-44.
[2]赵树萍,等.钛合金在航空航天领域中的应用[J].钛工业进展,2002,(6):18-21.
[3]徐灝,等.机械设计手册:第3卷[M].第1版.北京:机械工程出版社,1995:45.
[4]张睿,等.钛及其合金的腐蚀[J].材料开发与应用,2013(8):96-103.
>>>作者简介
陈龙,男,1988年出生,2011年毕业于厦门大学,工程师,现从事结构设计工作。
Brief Analysis on Selection of Fasteners for Supersonic Vehicle
Chen Long,Ma Junfei,Yan Jingyu,Wang Zaiyu,Jin Jiachao
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jianxi,330024)
With the increasement of Mach number of supersonic vehicle and the increasing proportion of titanium alloy in vehicle structure,the fastener made of traditional alloy structural steel is unable to meet the operational requirement any more.This paper analyzes the reasonability of fastener selection from two aspects,i.e.Thermal expansion under high temperature and thermocouple corrosion,for the reference of fastener selection under high temperature.
Supersonic;Fastener;Titanium alloy;Pretension force;
2016-10-08)