飛行器典型結(jié)構(gòu)的熱適配分體螺栓連接技術(shù)

譚志勇，張中原，鄭日恒，占續(xù)軍，徐聰

1. 北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076

2. 北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100083

由先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)成的大型熱結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于高超聲速飛行器[1]，其連接部位的使用溫度可達(dá)1 000 ℃甚至更高[2]。因此，如何有效地解決復(fù)合材料部件之間的連接是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵問(wèn)題[3-6]。相關(guān)文獻(xiàn)指出[7-10]：雖然C/SiC和C/C等先進(jìn)復(fù)合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、并且在用于制備結(jié)構(gòu)部件時(shí)具有很好的優(yōu)勢(shì)，但復(fù)合材料螺栓由于同時(shí)承受拉伸、剪切和預(yù)緊力矩的復(fù)雜應(yīng)力特點(diǎn)，表現(xiàn)出的綜合性能較低[11]、難以滿(mǎn)足整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)連接的高性能要求。因此，合理的復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)方法是采用同樣耐溫性能的金屬螺栓作為結(jié)構(gòu)連接件[12]。

螺栓是機(jī)械連接的最普遍方式。由于高溫合金的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于復(fù)合材料，普通的螺栓設(shè)計(jì)將導(dǎo)致高溫下兩者的變形不匹配問(wèn)題，使得常溫下施加的預(yù)緊力降低甚至消失，嚴(yán)重降低了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。

對(duì)此問(wèn)題引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，劉福林[13]給出了不同溫度下螺栓預(yù)緊力的變化關(guān)系，管建軍等[14]提出了通過(guò)適當(dāng)增加初裝配時(shí)的預(yù)緊力來(lái)保留溫升狀態(tài)下所需預(yù)緊力的方法，但這種簡(jiǎn)單的處理方法顯然難以適用于熱結(jié)構(gòu)的溫度變化范圍。對(duì)于復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)的高溫連接，國(guó)外以先進(jìn)飛行器研制為背景提出了一種TSF(Thermal-Stress Free)無(wú)熱應(yīng)力連接的熱適配技術(shù)[15]，它通過(guò)錐形沉頭螺栓與對(duì)應(yīng)復(fù)材板開(kāi)錐形沉孔的配合，構(gòu)造出高溫?zé)崤蛎洍l件下二者在配合面的切/法向應(yīng)力平衡方程。譚志勇等[16]進(jìn)一步推導(dǎo)了該熱膨脹變形公式，得出熱適配外形與復(fù)合材料面內(nèi)不同方向膨脹系數(shù)的相關(guān)性。張中原等[17]在此基礎(chǔ)上又提出了采用組合式金屬連接件的概念。國(guó)外一些文獻(xiàn)[18-19]還介紹了TSF連接方案在飛行器中的成功應(yīng)用，包括采用不同種類(lèi)連接件的應(yīng)用。

由于這種TSF方案需要在被連接的復(fù)材板上開(kāi)錐形沉孔，關(guān)于復(fù)材開(kāi)孔板強(qiáng)度的數(shù)值仿真[20]及試驗(yàn)[21]均表明：錐形沉孔情況下的開(kāi)孔強(qiáng)度會(huì)明顯低于通孔的開(kāi)孔強(qiáng)度，尤其是面外拉脫強(qiáng)度。此外，由于這種錐形沉孔對(duì)于輪廓度有特定要求，不僅增加了開(kāi)孔難度和工作量，也不利于通用性。對(duì)于這些不足，顯然還需要有針對(duì)性地開(kāi)展進(jìn)一步研究。

為了解決上述高溫下復(fù)合材料機(jī)械連接存在的力學(xué)問(wèn)題，本文對(duì)采用高溫合金螺栓的熱適配連接技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同材料螺栓的力學(xué)性能以及C/C平板在不同開(kāi)孔條件下的拉脫強(qiáng)度進(jìn)行比較，量化了采用高溫合金螺栓連接件以及復(fù)材板開(kāi)普通通孔在連接設(shè)計(jì)中的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。為適應(yīng)對(duì)復(fù)材板開(kāi)普通通孔的需求，對(duì)一種采用分體式熱適配螺栓的新方法進(jìn)行了螺栓形狀參數(shù)與高溫預(yù)緊力變化關(guān)系推導(dǎo)，分析了相關(guān)的影響因素。對(duì)理論分析進(jìn)行了數(shù)值模型仿真,并采用局部端框的典型連接單元進(jìn)行了常/高溫驗(yàn)證試驗(yàn)，各結(jié)果均表明可以明顯地減小螺栓的高溫預(yù)緊力下降，且相互間具有滿(mǎn)意的吻合性。

1 與高溫連接相關(guān)的力學(xué)性能測(cè)試比對(duì)

選擇高溫合金材料制備的螺栓，以及選用C/C、C/SiC兩種材料制備的螺栓，進(jìn)行1 100 ℃條件下的拉伸、剪切試驗(yàn)，以及常溫?cái)Q緊力矩試驗(yàn)，其性能結(jié)果比較見(jiàn)圖1(a)，看出高溫合金螺栓的綜合強(qiáng)度性能明顯優(yōu)于復(fù)合材料螺栓。

采用2D-C/C復(fù)合材料薄板，在保證螺栓強(qiáng)度的前提下進(jìn)行了開(kāi)普通通孔以及不同角度沉孔的拉脫性能測(cè)試，其對(duì)比結(jié)果如圖1(b)所示，其中沉頭角是指沉孔錐面母線(xiàn)與開(kāi)孔軸線(xiàn)的夾角。通孔或沉頭孔均開(kāi)在復(fù)合材料薄板中心，板厚及開(kāi)孔直徑均為10 mm。得出沉頭開(kāi)孔對(duì)板的削弱影響較大，沉頭螺栓的拉脫載荷明顯低于凸頭螺栓。由于復(fù)材板沉孔的沉頭角越小,剪切應(yīng)力的比例越大，對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能越低。

圖1 不同材料螺栓的性能對(duì)比以及C/C板的不同開(kāi)孔拉脫數(shù)據(jù)

2 分體式熱適配螺栓連接方法

為解決金屬普通螺栓在高溫下軸向膨脹大于被連接復(fù)材板膨脹、導(dǎo)致初始狀態(tài)下施加的預(yù)緊力明顯降低問(wèn)題，以及已有的TSF錐形沉孔設(shè)計(jì)方案導(dǎo)致的復(fù)材板開(kāi)孔強(qiáng)度降低問(wèn)題，這里進(jìn)一步提出了一種新的熱適配螺栓的連接設(shè)計(jì)方案。

如圖2所示，采用的熱適配螺栓是將普通的凸頭連接螺栓設(shè)計(jì)為分體部件，即分為具有錐頭的螺栓桿和具有錐孔的螺栓墊，兩者均可具有較好的加工工藝性。連接螺栓的螺紋副、螺母與普通螺栓相同。這種設(shè)計(jì)的核心一是需要對(duì)螺栓桿、螺栓墊采用不同熱膨脹系數(shù)的金屬材料，二是考慮螺栓桿/墊之間的合理參數(shù)，包括配合錐面的輪廓參數(shù)和摩擦系數(shù)參數(shù)。采用該方法，對(duì)于被連接的復(fù)材板只需要開(kāi)普通通孔，避免了開(kāi)錐形沉孔造成的強(qiáng)度降低，且使得整個(gè)連接具備較好的加工通用性。

圖2 采用分體式熱適配螺栓的連接單元示意圖

對(duì)圖2所示的連接單元進(jìn)行由不同材料溫升導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性與螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系推導(dǎo)。設(shè)螺栓在常溫下的初始預(yù)緊力為Q，溫升后由于熱膨脹效應(yīng)降低為剩余預(yù)緊力Qf。考慮在熱膨脹過(guò)程的各部件材料均為線(xiàn)彈性下的小變形，則連接單元高溫下的標(biāo)量形式變形協(xié)調(diào)方程為

Δλβ+λSb+λSp=0

(1)

式中：Δλβ為由材料熱膨脹引起的螺栓與被連接平板相對(duì)變形在z軸的投影；λSb、λSp分別為螺栓由于預(yù)緊力降低導(dǎo)致的彈性變形減小以及被連接平板的彈性壓縮量減小在z軸的投影。

對(duì)圖2的連接單元給出熱膨脹前后的局部位移變化如圖3所示，簡(jiǎn)化為上下對(duì)稱(chēng)條件，OXY為零位移的對(duì)稱(chēng)面。IJKL為初始狀態(tài)的螺栓墊位置，在自身受熱膨脹后的變形位置為ABCD，由于被連接平板熱膨脹使其最終的變形位置為EGTQ。

圖3 熱膨脹過(guò)程連接單元的變形示意圖

若保持螺栓桿、螺栓墊在熱膨脹前后的輪廓外形保持不變，由不同材料的熱膨脹關(guān)系式可得出錐面母線(xiàn)具有正比例指數(shù)函數(shù)形式：

z=kρf

(2)

式中：

(3)

式中：αy2、αy1、αx2、αx1分別為螺栓桿、螺栓墊在y和x方向的熱膨脹系數(shù)。由于高溫合金為各向同性，則式(2)簡(jiǎn)化為正比例線(xiàn)性函數(shù)z=kρ。k為曲線(xiàn)的斜率，即k=tanθ，θ為螺栓錐頭/墊的配合曲線(xiàn)與水平方向夾角；ρ和z為連接單元示意圖的橫、縱坐標(biāo)。而錐面母線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)與對(duì)稱(chēng)面的交點(diǎn)位于原點(diǎn)O。

進(jìn)一步基于連接單元在熱膨脹過(guò)程中作用力平衡方程，可以得出高溫狀態(tài)下螺栓桿的剩余預(yù)緊力與連接單元自身各相關(guān)參數(shù)及外部溫度環(huán)境之間的關(guān)系。由于螺栓桿、螺栓墊、被連接平板在軸向順序串連，通過(guò)力、剛度與變形的關(guān)系計(jì)算出高溫下剩余預(yù)緊力的公式為

(4)

式中：α0為被連接板的熱膨脹系數(shù)；t為溫度的上升量；K0、K1、K2分別為被連接板、螺栓墊和螺栓桿的軸向剛度，其具體表達(dá)式為

(5)

式中：h、H分別為螺栓墊的高度和被連接板的厚度；r2、r3分別為螺栓墊底孔和被連接板孔的半徑；r1、r5分別螺栓桿錐頭上、下端和螺栓墊的結(jié)構(gòu)半徑；E1、E2、E0分別為螺栓墊、螺栓桿和被連接板的彈性模量；k為螺栓錐頭/墊的配合曲線(xiàn)斜率。

當(dāng)螺栓錐面母線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)與對(duì)稱(chēng)面交點(diǎn)不位于原點(diǎn)時(shí)，具有z=kρ+c的形式，c為距對(duì)稱(chēng)面的垂直位移。則式(4)的對(duì)應(yīng)變化形式為

(6)

從以上高溫剩余預(yù)緊力公式可總結(jié)得出如下規(guī)律：

1) 對(duì)于連接螺栓的材料選擇，一般情況下有α1≥α0，但為了增強(qiáng)高溫下的預(yù)緊力應(yīng)盡可能使得螺栓墊的α1→α0。

2) 對(duì)于連接螺栓的構(gòu)型選擇，得出在c<0時(shí)Qf更大，即當(dāng)錐面母線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)低于原點(diǎn)O時(shí)可實(shí)現(xiàn)更好的高溫預(yù)緊力效果。

3) 對(duì)于連接螺栓的分體配合設(shè)計(jì)，對(duì)圖3模型以常溫預(yù)緊狀態(tài)為初始點(diǎn)進(jìn)一步推導(dǎo)，通過(guò)連接單元的能量耗散和螺栓軸向力降低之間的關(guān)系來(lái)分析螺栓錐面間的滑動(dòng)摩擦影響，可得出結(jié)論為螺栓桿與螺栓墊之間配合面的摩擦系數(shù)越小、則高溫預(yù)緊力效果越好。

3 仿真和試驗(yàn)的結(jié)果及討論

仿真和試驗(yàn)均包括了熱適配螺栓和普通螺栓的2種形式用于對(duì)比。依照第2節(jié)推導(dǎo)建立熱適配有限元仿真分析模型如圖4所示，分解的連接單元裝配圖從左到右依次為：復(fù)材板、螺栓桿、螺栓墊、螺母。各部件模型均采用六面體的一階減縮積分單元C3D8R，螺母與螺栓桿之間按綁定處理，其余各部件之間定義接觸面關(guān)系。熱適配螺栓的配合面摩擦系數(shù)假設(shè)為0。對(duì)模型施加載荷和邊界約束條件，載荷為常溫下的螺栓初始軸力和單元升溫條件：初始軸力設(shè)定對(duì)螺栓桿截面施加15 000 N 的載荷，從初溫20 ℃開(kāi)始升至900 ℃最終溫度場(chǎng)。按照線(xiàn)性固定步長(zhǎng)和準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算出不同溫度點(diǎn)的剩余預(yù)緊力。

圖4 熱適配連接單元數(shù)值模型示意圖

圖5為不同螺栓連接的高溫剩余預(yù)緊力結(jié)果，理論公式計(jì)算與數(shù)值模型均得出熱適配螺栓的高溫剩余預(yù)緊力明顯大于普通螺栓。在900 ℃高溫下，熱適配螺栓的剩余預(yù)緊力約占初始軸力的61%。而對(duì)于普通螺栓，數(shù)值計(jì)算給出在800 ℃時(shí)剩余預(yù)緊力降低為0；采用理論公式算法則得到在600 ℃時(shí)降低為0。

圖5 理論公式與模型計(jì)算的剩余預(yù)緊力對(duì)比圖

對(duì)比熱適配螺栓連接的數(shù)值模型與理論公式螺栓剩余軸力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，兩者之間最大相對(duì)差值約4%，各溫度下的相對(duì)差平均值約1.5%， 具有良好的一致性。

表1 熱適配連接剩余預(yù)緊力數(shù)值仿真與理論公式對(duì)比

選擇C/SiC艙段的局部端框作為熱適配考核對(duì)象。飛行器采用分艙設(shè)計(jì)時(shí)一般需采用連接端框的形式來(lái)傳遞主要載荷，具有熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載的典型特點(diǎn)。而連接螺栓的高溫預(yù)緊力尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法，不易直接測(cè)量，本文在此采用與文獻(xiàn)[15-16]類(lèi)似的間接測(cè)試方法。在常溫和高溫狀態(tài)下分別進(jìn)行由不同螺栓連接的對(duì)接端框之間的轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)，假設(shè)2個(gè)局部端框之間發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的外載荷與對(duì)接螺栓具有預(yù)緊力成正比，由此比較不同螺栓連接件的高溫防松效果。組裝的試驗(yàn)件及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，組裝時(shí)螺栓預(yù)緊力矩為常溫下20 N·m。試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按位移控制進(jìn)行勻速緩慢加載。同步測(cè)試載荷和連接面的角點(diǎn)位移，取載荷-位移曲線(xiàn)發(fā)生明顯拐點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)載荷來(lái)標(biāo)識(shí)連接預(yù)緊剛度，由高溫與常溫狀態(tài)下的預(yù)緊剛度比值得到高溫剩余預(yù)緊力比例。根據(jù)具體材料的耐高溫程度，選擇最高試驗(yàn)溫度為820 ℃并穩(wěn)定5 min。

圖6 裝配的典型連接試驗(yàn)件及常/高溫試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，典型的試驗(yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖7，顯示了熱適配螺栓具有高溫剩余預(yù)緊力的明顯優(yōu)勢(shì)，由此提高了熱結(jié)構(gòu)在高溫下的連接可靠性。

表2 不同試驗(yàn)件的常/高溫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7 采用不同螺栓的試驗(yàn)件在高溫下的載荷-位移曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

針對(duì)采用高溫合金機(jī)械連接件的復(fù)合材料組合構(gòu)件在高溫下由于熱膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生預(yù)緊力降低的的熱不匹配問(wèn)題，在以往TSF無(wú)熱應(yīng)力連接方案的基礎(chǔ)上對(duì)一種分體式螺栓連接方案的熱適配特性進(jìn)行了研究。

1) 原理推導(dǎo)及數(shù)值仿真、典型局部端框試驗(yàn)考核均表明，該連接方案與普通螺栓連接相比具有明顯的高溫預(yù)緊力保持性能，同時(shí)通過(guò)這三方面結(jié)果的對(duì)比具有很好的一致性。

2) 由于不需要在復(fù)材板上開(kāi)錐形沉孔，這種熱適配螺栓的連接強(qiáng)度顯然是與開(kāi)普通通孔的普通螺栓相同的。通過(guò)對(duì)連接單元溫升條件下變形協(xié)調(diào)性與螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系分析，得到了這種熱適配螺栓高溫剩余預(yù)緊力保持率與外形/尺寸、彈性模量及熱膨脹系數(shù)等材料性能、配合面摩擦系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及溫升環(huán)境之間的關(guān)系。

3) 在實(shí)際使用中確定熱適配螺栓的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步考慮材料的溫度適用范圍以及螺栓空間尺寸的約束影響。