复合材料与高温合金螺栓连接的热适配技术

谭志勇 费庆国 吴宏伟 张宏宇 姜 东, 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)

复合材料与高温合金螺栓连接的热适配技术

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)

为了改善高温环境下螺栓连接力学性能,避免热膨胀不匹配所导致的预紧力松弛,研究了高温合金螺栓连接的热适配技术．首先,推导了热适配螺栓的外形参数,指出高温合金热适配螺栓与复合材料的接触面应满足旋转对称的指数轮廓．然后,考虑到螺栓拧紧力矩试验通常在常温下进行,通过比较常、高温条件下的强度性能,推导出高温条件下螺栓预紧力矩的合理取值．最后,开展了普通螺栓与高温合金热适配螺栓典型连接单元的静力试验和振动试验．试验结果表明,热适配连接单元在高温下未发生预紧力矩松弛,而普通螺栓预紧力矩则明显下降,从而验证了所提热适配技术的有效性．

复合材料;热结构;高温合金螺栓;热适配连接;预紧力矩

在先进复合材料热结构的制造和使用过程中,如何有效地解决部件之间的连接问题是从材料向结构跨越的最重要环节．热结构的连接要求在高温条件下保持足够的强刚度,并且不带来额外的热应力影响．国内外学者们对高温环境下热结构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方法,指出高温下机械连接是较为可行的方法．MT航空公司设计了一种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性．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,提出了一种在高温下通过动力学试验获取结构连接刚度的方法[6]．

复合材料的剪切性能较低,螺牙易被拉脱,导致螺杆抗拉性能不能充分发挥[7]．Li等[8-9]比较了不同C/SiC螺栓的拉伸强度和螺帽的剪切强度,提出可通过提高复合材料的性能来提升螺栓强度．Böhrk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上能够缓解螺栓的松动．以C/SiC和C/C为代表的复合材料在复杂高载荷条件下综合强度偏低,脆性及离散性较大,作为螺栓连接件应用于工程中存在较多难点[11]．

采用高温合金材料作为热结构螺栓连接件具有多方面的优势．Wulz等[12]和Trabandt等[13]总结了热结构的连接和荷载传递问题,指出采用金属螺栓作为热结构的连接件较为困难,需要解决热膨胀系数不同导致的不匹配情况．在常温环境下,不涉及热匹配问题,金属螺栓与复合材料的机械连接在航空结构中已得到了较成熟的应用[14-15]．然而,当热结构在连接位置具有较大温升时,则必须考虑热膨胀系数不一致带来的影响．复合材料热结构设计的关键是要解决热环境带给连接设计的相关问题,避免高温下不同热膨胀系数导致的附加热应力和预紧力松弛、丧失连接刚度等问题．

本文研究了将高温合金螺栓作为复合材料热结构连接件时材料热膨胀系数不同导致的热适配问题．首先,推导了热适配螺栓的合理外形参数;然后,根据高温强度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

高温合金的综合强度性能远高于复合材料．Wulz[16]介绍了X-38飞行器结构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结构之间的热匹配性问题．本文进一步完善了不同热膨胀下热适配螺栓所需满足形状轮廓的理论推导,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,针对复合材料结构和高温合金螺栓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能够随温度变化而变化．常温安装时接触面共同的边界A-B如图1(a)所示,高温膨胀后仍然具有共同的边界A′-B′,不会产生热变形导致的热应力或预紧力松弛．

(a) 双面热适配螺栓

(b) T0+ΔT时的接触面

当搭接板厚度相同时,采用双面热适配螺栓设计,如图1所示.图中，h为螺母锥面高度,H为搭接板厚度,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),假设边界上某一点坐标为(x0,y0);当温度由T0增加到T0+ΔT时,由于热膨胀系数不同,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

(1)

式中,L为长度;α为线膨胀系数;T为温度．

对式(1)积分可得

L=L0eα(T-T0)=L0eαΔT

(2)

式中,T=T0+ΔT．

在图1(b)中,温度由T0增加到T0+ΔT,对于A-B边界上任意一点 (x,y),在高温合金和复合材料2种材料中的新坐标满足指数关系．对于高温合金材料有

x1=xeαx1ΔT,y1=yeαy1ΔT

(3)

对于复合材料有

x2=xeαx2ΔT,y2=yeαy2ΔT

(4)

式中,αx1,αy1分别为高温合金中x,y方向上的热膨胀系数;αx2,αy2分别为复合材料中x,y方向上的热膨胀系数．

将式(3)和(4)分别取对数可得

lnx1=lnx+αx1ΔT,lny1=lny+αy1ΔT

(5)

lnx2=lnx+αx2ΔT,lny2=lny+αy2ΔT

(6)

令Y=lny,X=lnx,则式(5)和(6)可变换为

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),则由式(9)可得

Y=pX+C

(10)

式中,C为积分常数．

根据Y与y,X与x的关系,得出A-B边界需满足的方程形式为

y=eCxp=Dxp

(11)

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简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需要满足通过原点(0, 0)即可,具体锥角θ可取任意值．然而,在实际的结构设计中,应考虑锥孔对复合材料拉脱强度的影响因素,一般取θ≥45°．

锥面高度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结构锥面外缘(点B)．由于材料在x,y方向上具有相同的热膨胀系数,即αx1=αy1=α1,αx2=αy2=α2,因此高温下螺栓锥面内缘上点A′的坐标为

(12)

复合材料锥面外缘上点B′的坐标为

(13)

由约束条件y1-y2<0可得

h>H(1-e(α2-α1)ΔT)

(14)

当搭接板厚度不同时,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,锥面高度满足式(14)．

图2 单侧热适配螺栓设计

2 预紧力矩的选取

确定热适配螺栓的预紧力矩时应考虑如下因素:① 保证高温状态下的连接刚度;② 兼顾连接结构常、高温状态下的通用性;③ 满足复合材料的强度要求．螺栓拧紧力矩试验通常在常温下进行,由于高温合金的常、高温力学性能差异较大,因而不能将常温数据直接用于高温条件的取值[17]．下面依据常、高温条件下的强度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,在螺栓副润滑状态下k通常取值为0.10～0.30;而对于高温合金螺栓,不宜润滑处理导致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=150 N·m,正应力σmax=588 MPa．正应力与拉伸轴力的关系式为

(16)

式中,A为螺杆的截面积．根据式(16)可以得到轴力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螺栓的常温拉伸强度σb=886 MPa．螺栓处于拉伸与扭转的组合变形状态,金属材料满足von Mises强度准则,即

(17)

式中,σmax为最大正应力;τmax为最大切应力;σb为螺栓材料的极限强度．根据式(17)可以得到τmax=383 MPa．按照材料力学的基本理论,可计算出M1=τmaxWP=48 N·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1 100 ℃温度下测得螺栓拉伸强度σb=495 MPa．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发生明显变化,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von Mises强度准则,可得到高温下极限预紧力矩Mb与拉伸强度σb之间的关系式为

(18)

将各参数值代入式(18),可得1 100 ℃高温下M10螺栓的极限拧紧力矩Mb≈ 81 N·m,约为常温极限拧紧力矩的54%．

对于1 000～1 200 ℃下的高温合金螺栓,其预紧力矩M为

M=uMbu∈[0.2,0.3]

(19)

若式(19)中Mb的系数取0.25,得到常温下施加的预紧力矩约为20 N·m．

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,然后进行拉伸测试．初始状态下载荷作用线与连接螺栓之间具有一定的夹角,采用力控方式逐渐增大载荷,测量连接单元发生转动时的载荷值,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．为简化试验工装设计,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小孔连接,释放小孔位置的旋转自由度．高温振动试验则采用夹持方式使试验件处于悬臂状态．

(a) 普通螺栓连接

(b) 热适配螺栓连接

(c) 热适配螺栓锥形截面 (单位：mm)

(a) 高温静力试验

(b) 高温振动试验

通过高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10 N·m时的试验结果见图5．图5(b)中曲线的水平初值是由于夹具与试验件小孔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发生预紧力矩松弛,而普通螺栓预紧力矩大幅降低,接近于零．

(a) 普通螺栓连接

(b) 热适配螺栓连接

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能够保证高温下连接件的预紧力和刚度,而普通螺栓则出现了高温失效的现象．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．

表1 不同连接单元的转动临界载荷与基频

4 结论

1) 研究了高温合金螺栓作为复合材料热结构连接件时材料热膨胀系数不同导致的热适配问题．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强度测试结果,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,为连接结构的热适配问题提供了一种新思路．

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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. 作者简介: 谭志勇(1965—), 男, 博士, 研究员, tanzhy_01@163.com.

国家自然科学基金资助项目(11572086, 11602112)、教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-11-0086).

谭志勇,费庆国,吴宏伟,等.复合材料与高温合金螺栓连接的热适配技术[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(2):337-342.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.023.

TB332；O341

A

1001-0505(2017)02-0337-06