孫鵬軍 雷勇軍 劉曉華 崔鵬飛 張宏宇

（1 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）（2 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

0 引言

高溫情況下金屬螺栓的使用遇到了很多瓶頸，所以選用C／C螺栓成為必然趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)合材料螺栓開展了較多的研究工作［1－5］，主要集中在抗拉性能和加工工藝等方面。復(fù)合材料螺栓連接松弛問(wèn)題也有較多的研究［6－7］，J.B.Ickford ，S.D.Thoppul等人［8－9］深入研究了螺栓連接的力學(xué)行為、預(yù)緊力響應(yīng)以及螺栓連接預(yù)緊力松弛時(shí)變行為；T.H.Sun、K.I.Tserpes等人［10－11］采用三維有限元建模方法模擬復(fù)合材料螺栓連接，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值較為接近；S.C.Tan、P.P.Camanho 等人［12－13］引入并完善了漸進(jìn)損傷有限元分析方法，對(duì)復(fù)合材料連接進(jìn)行模擬；M.L.Dano［14］通過(guò)有限元數(shù)值模擬，研究了材料失效準(zhǔn)則與特性退化方法對(duì)漸進(jìn)失效模型的影響。復(fù)合材料連接件擰緊力矩特性的研究也在各行業(yè)得到了重視［15－18］，對(duì)于 C／C 螺栓的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)還未見報(bào)道，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)還是金屬螺栓［19－20］細(xì)節(jié)優(yōu)化上。本文針對(duì)兩種C／C螺栓破壞形式的不同，開展了機(jī)理分析工作，并和實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行了比對(duì)分析。

1 試驗(yàn)

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

C／C螺栓設(shè)計(jì)目前處于初期階段，圖1為這種螺栓連接形式簡(jiǎn)圖。

圖1 C／C螺栓連接形式簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of the C／C bolt joint

螺栓頭設(shè)計(jì)是綜合了金屬螺栓頭的設(shè)計(jì)方法和C／C材料的特點(diǎn)，其中螺栓頭上的錐面是為了保證安裝過(guò)程中的配合精度，并起到導(dǎo)向作用；螺栓頭上面的圓柱段，是避免C／C材料脆性特點(diǎn)而出現(xiàn)崩裂等情況。這種螺栓頭結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)在三向正交結(jié)構(gòu)C／C螺栓和細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C螺栓上得到了應(yīng)用，目前這兩種螺栓結(jié)構(gòu)尺寸相同。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行了三向正交及細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C螺栓的拉伸試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在拉伸機(jī)上進(jìn)行，加載速率為2 mm／min。三向正交結(jié)構(gòu)C／C螺栓共進(jìn)行了5件拉伸試驗(yàn)，其均值為26.04 kN；細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C螺栓共進(jìn)行了3件拉伸試驗(yàn)，其均值為24.83 kN。圖2為三向正交結(jié)構(gòu)C／C螺栓試件破壞后的形貌，可以看到是從螺栓頭中剪切破壞。細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C是螺紋中部拉斷，與金屬螺栓相似。

圖2 三向正交結(jié)構(gòu)鋪紗螺栓拉伸破壞形貌Fig.2 Tensile broken interface morphology of three?dimensional fiber placement bolt

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知在同樣尺寸情況下，雖然三向正交結(jié)構(gòu)C／C螺栓破壞形式表現(xiàn)為螺栓頭拉脫，但其抗拉強(qiáng)度要高于細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C情況。依據(jù)試驗(yàn)過(guò)程可知兩種螺栓拉伸破壞為脆性破壞。

2 螺栓頭受力分析

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知三向正交結(jié)構(gòu)C／C螺栓破壞表現(xiàn)出從螺栓頭處拉剪斷裂。在螺栓受拉的情況下，設(shè)其受到的拉力為F，則被連接件提供給螺栓頭合力也為F，這兩個(gè)力是通過(guò)圖3（沉頭角取90°）中的剪切面進(jìn)行傳遞，則剪切面上受到剪力同樣為F。

圖3 螺栓頭尺寸及受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure and force analysis sketch of bolt head

剪切面上受到的力F與剪應(yīng)力τ的關(guān)系為

螺栓上受到的力F與拉伸應(yīng)力σ的關(guān)系為

由于這兩個(gè)力是相等的，消除公約量可得

實(shí)際設(shè)計(jì)中若要保證不從剪切面破壞，依據(jù)上面公式則剪切長(zhǎng)度的表達(dá)式為

即，在螺栓頭沉頭錐角為90°情況下，按式（4）設(shè)計(jì)的螺栓可以保證不出現(xiàn)從剪切面破壞問(wèn)題，其他仰角情況可以參照設(shè)計(jì)。

3 破壞模式分析

依據(jù)公式（2），則螺栓光桿試驗(yàn)情況下拉伸應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

式中，σ為螺栓光桿上的拉伸應(yīng)力，F(xiàn)為螺栓所承受的拉伸載荷，d1為第一次測(cè)量光桿直徑，d2則為轉(zhuǎn)過(guò)90°之后測(cè)量的螺栓光桿直徑。

螺栓頭處剪切應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

依據(jù)試驗(yàn)前測(cè)量數(shù)據(jù)，采用以上兩個(gè)公式得到三向正交和細(xì)編穿刺C／C兩種結(jié)構(gòu)螺栓光桿部分拉伸應(yīng)力和螺栓頭部位等效剪應(yīng)力（層剪和面剪的合成）均值見表1。根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際圖紙可知，該螺栓的小徑為13.835 mm，參考式（5）計(jì)算得到螺紋小徑拉伸應(yīng)力均值結(jié)果見表1。表2為兩種結(jié)構(gòu)螺栓本體實(shí)測(cè)力學(xué)性能。

表1 M16螺栓拉伸試驗(yàn)計(jì)算應(yīng)力值表Tab.1 Calculating stress datasheet of M16 boltin tensile experiment MPa

表2 螺栓材料實(shí)測(cè)力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties datasheet of bolt material in tensile measurement MPa

由表1三向正交結(jié)構(gòu)C／C等效剪應(yīng)力值與表2中三向正交結(jié)構(gòu)C／C面內(nèi)和層間剪切強(qiáng)度均值比較可見兩者相差很??；而三向正交結(jié)構(gòu)C／C拉伸強(qiáng)度要大于螺紋小徑拉伸應(yīng)力均值，可見三向正交結(jié)構(gòu)C／C螺栓破壞確實(shí)是由于剪切引起，這主要是因?yàn)槁菟^結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的。同樣由表1和表2中細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C數(shù)據(jù)可見細(xì)編穿刺結(jié)構(gòu)C／C螺栓的破壞是由于螺紋小徑處受拉破壞引起的。

在螺栓受拉情況下，螺栓頭部會(huì)受到剪應(yīng)力作用，由于螺栓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致當(dāng)在某一個(gè)面上受到的是層間剪應(yīng)力，而與該面垂直的方向上的面受到的是面剪應(yīng)力，所以圖5中受剪面實(shí)際上是面剪和層剪的混合剪切應(yīng)力作用，其破壞不能簡(jiǎn)單以某一種剪應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估，而是綜合作用的結(jié)果。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可見，其綜合剪應(yīng)力破壞值是面內(nèi)和層間剪切強(qiáng)度的均值。

4 結(jié)論

（1）螺栓頭剪切破壞是面內(nèi)和層間剪切綜合作用的結(jié)果，其剪切破壞強(qiáng)度是面內(nèi)和層間剪切兩者均值；

（2）C／C螺栓拉伸破壞斷裂要用螺栓小徑進(jìn)行評(píng)估，其破壞強(qiáng)度可以直接用螺栓受拉方向上材料拉伸強(qiáng)度；

（3）螺栓頭的設(shè)計(jì)決定了螺栓的破壞形式，當(dāng)螺栓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下，可以最大發(fā)揮復(fù)合材料拉伸和剪切性能極限。

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