郭鳳明，徐 倩，吳 潔，宋漪萍

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

1 引言

隨著運載火箭起飛重量和起飛推力規(guī)模的不斷增大，大集中載荷附近的結(jié)構(gòu)連接成為了新型大推力火箭設(shè)計的重點和難點。運載火箭的結(jié)構(gòu)連接通常采用螺栓和翻框結(jié)構(gòu)連接的工藝形式，螺栓連接具有總裝操作方便、制造工藝成熟等優(yōu)點［1-2］。螺栓在起到連接固定作用的同時，承受著極大的軸力和彎矩等載荷。在我國新一代運載火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，螺栓在設(shè)計過程中較多地采用了高強度材料，比如30CrMnSiA、GH4169、30CrMnSiNi2A等材料。在型號研制過程中高強度材料螺栓斷裂失效會極大地影響研制進(jìn)度，增加研制周期和研制試驗成本，帶來較多人力和物力投入。很多文獻(xiàn)對高強度螺栓的設(shè)計和強度校核進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)的論述。文獻(xiàn)［3-6］對1300MPa級的高強度螺栓鋼的耐延遲斷裂性能進(jìn)行試驗研究。文獻(xiàn)［7］對海洋環(huán)境腐蝕作用引起的高強螺栓應(yīng)力腐蝕斷裂問題進(jìn)行了分析并提出改進(jìn)辦法。高強度螺栓氫脆斷裂機制［8］、熱處理工藝改進(jìn)［9-11］和高強螺栓失效分析［12］等方面問題也被廣泛研究。在螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核方面，文獻(xiàn)［13］針對螺栓強度計算采用的經(jīng)驗算法和有限元計算仿真進(jìn)行了分析和總結(jié)。螺栓連接剛度對整體結(jié)構(gòu)模態(tài)性能的影響也被關(guān)注［14］。從螺栓剛度出發(fā)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的螺栓剛度匹配設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行分析，并通過對典型高強度材料螺栓進(jìn)行拉彎耦合試驗，獲得不同高強度材料螺栓的剛度性能。最后以某型火箭捆綁連接位置附近的螺栓剛度設(shè)計為例，把拉彎耦合試驗結(jié)果應(yīng)用到實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計方案成功通過組合體聯(lián)合靜力試驗考核。

2 螺栓連接常用強度設(shè)計方法

2.1 典型翻框連接結(jié)構(gòu)

運載火箭部段連接方案中，螺栓和翻框連接是一種較為普遍的對接面連接方式。螺栓在受到翻框傳遞的拉力作用同時，需要承擔(dān)由于翻框結(jié)構(gòu)不對稱性帶來的彎矩載荷等，如圖1所示。螺栓受到翻框傳遞的拉力T作用外，還承擔(dān)翻框結(jié)構(gòu)非對稱帶來的彎矩M1作用。對于某些特殊結(jié)構(gòu)部位，可能存在兩個或兩個以上翻框等被夾持件，那么連接被夾持件螺栓的受力狀態(tài)會更加復(fù)雜。

圖1 翻框連接結(jié)構(gòu)Fig.1 Flanged Connection Structure

2.2 螺栓強度設(shè)計方法

螺栓在受到圖1所示的拉力和彎矩作用下，一種較為保守的螺栓設(shè)計方法［4］為：

式中：F—螺栓的等效軸拉載荷；k—螺紋引起的應(yīng)力集中系數(shù)；M1—螺栓受到的彎矩載荷；r—螺栓螺紋小徑；T—螺栓受到的軸拉載荷；［F］—螺栓的許用軸拉載荷。

3 螺栓剛度匹配設(shè)計方法

3.1 彎矩載荷分配

基于彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，機械結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下，會產(chǎn)生一定的變形，也就是產(chǎn)生位移。相鄰零件結(jié)構(gòu)之間，會根據(jù)零件各自變形量不同，分配不同的內(nèi)力。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要考慮進(jìn)行相鄰零件剛度匹配設(shè)計，這樣才能合理利用材料性能，設(shè)計結(jié)構(gòu)各部分零件同時承擔(dān)外部載荷，不至于出現(xiàn)主要載荷由某單一結(jié)構(gòu)承擔(dān)的不合理現(xiàn)象。

以某型運載火箭的捆綁集中載荷附近結(jié)構(gòu)為例，受力分析示意圖，如圖2所示。圖中螺栓連接結(jié)構(gòu)在受到軸向拉伸載荷M0作用的同時，在局部位置上受到彎矩M0的作用。在彎矩M0的作用下，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)S形狀變形，變形量由結(jié)構(gòu)本身和連接件共同產(chǎn)生，產(chǎn)品顯現(xiàn)出在夾持件之間產(chǎn)生隙縫，也在螺栓螺桿的局部位置產(chǎn)生較大變形。其中螺栓內(nèi)部產(chǎn)生彎矩內(nèi)力M1，夾持件內(nèi)部產(chǎn)生彎矩內(nèi)力M2，靜力平衡狀態(tài)時：

圖2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)螺栓連接示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Bolt Connection of Complex Structure

3.2 螺栓設(shè)計剛度選擇

最理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力達(dá)到材料斷裂強度時，螺栓同時達(dá)到斷裂臨界狀態(tài)。結(jié)構(gòu)和螺栓分別承擔(dān)的彎矩比例由二者的剛度比值決定。螺栓剛度過小時，彎矩M0主要由結(jié)構(gòu)承擔(dān)，即M1＜M2。螺栓剛度過大時，彎矩M0主要由螺栓承擔(dān)，即M1＞M2。由于螺栓螺紋的缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，并且應(yīng)力集中系數(shù)對螺紋小徑處表面處理質(zhì)量較為敏感，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該避免采用剛度過大的螺栓承擔(dān)彎矩載荷。

由于翻框結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生杠桿效應(yīng)，因此螺栓內(nèi)力T與外部拉伸力T0關(guān)系為：

式中：k1—由于翻框產(chǎn)生杠桿效應(yīng)引起的拉力放大系數(shù)。當(dāng)在外載作用下，上、下翻框完全分開時，k1=0。

3.3 螺栓承擔(dān)彎矩計算

E1I1為螺栓抗彎剛度，E2I2為被連接結(jié)構(gòu)抗彎剛度，在外部彎矩載荷為M0時，螺栓分擔(dān)的彎矩載荷M1為，被連接結(jié)構(gòu)分擔(dān)的彎矩載荷M2為M2=E2I2，螺栓上最大應(yīng)力σmax為σmax=，式中：k—螺紋引起的應(yīng)力集中系數(shù)；W1—螺紋小徑的抗彎截面模量，如圖2所示。

從式中可以看出，在被連接結(jié)構(gòu)形式確定的情況下（E2I2為定值），螺栓上最大應(yīng)力隨著螺栓抗彎剛度E1I1的增加而增加。因此一旦螺栓剛度與被連接結(jié)構(gòu)剛度匹配不合理，容易出現(xiàn)螺栓承擔(dān)較大彎矩的情況，最終會造成螺紋處應(yīng)力較大，螺栓發(fā)生斷裂破壞。

3.4 四種高強度螺栓剛度性能試驗

3.4.1 螺栓材料

對運載火箭常用高強度材料螺栓進(jìn)行拉彎耦合試驗，獲得螺栓的斷裂剛度特性。螺栓材料分別是30CrMnSiA、GH4169、30Cr-MnSiNi2A、SS10A，材料的基本機械性能，如表1所示。

表1 螺栓材料性能表Tab.1 Bolt Material Performance Table

3.4.2 拉彎耦合試驗

螺栓的拉彎耦合試驗是在島津拉伸試驗機上進(jìn)行的。加載工裝示意圖，如圖3所示。加載過程中，通過偏心加載工裝實現(xiàn)加載力線與螺栓軸線的偏移。偏心加載工裝實物，如圖4所示。采用30CrMnSiNi2A加工制造，工裝結(jié)構(gòu)剛度較大，盡量減少工裝變形對測量結(jié)果的影響。

圖3 偏心加載示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Eccentric Loading

圖4 偏心加載工裝Fig.4 Eccentric Loading Tooling

3.4.3 試驗結(jié)果分析

對四種材料M10螺栓進(jìn)行偏心拉伸試驗。拉斷后的螺栓樣件，如圖5～圖8所示。

圖5 30CrMnSiAFig.5 Bolt of 30CrMnSiA

圖6 GH4169Fig.6 Bolt of GH4169

圖7 SS10AFig.7 Bolt of SS10A

圖8 30CrMnSiNi2AFig.8 Bolt of 30CrMnSiNi2A

依次為30CrMnSiA、GH4169、SS10A、30CrMnSiNi2A 材料螺栓。從樣件試驗后外形觀察，30CrMnSiA 和30CrMnSiNi2A材料螺栓在偏心拉力的作用下發(fā)生了明顯的彎曲變形，GH4169、SS10A材料螺栓彎曲變形不夠明顯。

對螺栓拉斷力和拉力偏移量關(guān)系進(jìn)行分析整理，如圖9 所示。從圖中可以看出，在拉力偏移量小于15mm左右時，隨著拉力偏移量的增加，30CrMnSiA 和30CrMnSiNi2A材料螺栓拉斷力下降不明顯，而GH4169和SS10A兩種材料螺栓的拉斷力下降明顯。在拉力偏移量大于15mm 后，30CrMnSiNi2A 材料螺栓拉斷力也明顯下降。

圖9 M10螺栓拉彎耦合試驗數(shù)據(jù)整理Fig.9 Data Collation of M10 Bolt Tensile Bending Coupling Test

由此可以知道，在有較大局部彎矩作用的連接處，選用剛度較小的30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A材料螺栓作為結(jié)構(gòu)連接件，有利于降低螺栓分擔(dān)的彎矩載荷比例，實現(xiàn)連接結(jié)構(gòu)的剛度匹配優(yōu)化。

4 螺栓設(shè)計應(yīng)用實例

某型運載火箭主捆綁對接面處連接需要采用M24規(guī)格螺栓，結(jié)構(gòu)示意圖和外載荷，如圖2所示。設(shè)計之初首先進(jìn)行螺栓材料的選取，之后再通過有限元計算和聯(lián)合靜力試驗驗證螺栓設(shè)計的合理性。

4.1 螺栓材料選取

選取兩種材料螺栓，分別對應(yīng)著隨著拉力偏移量增加后拉斷力降低明顯和不明顯的兩類材料，進(jìn)行M24規(guī)格螺栓拉斷力試驗。拉斷力降低明顯的材料選取SS10A，拉斷力降低不明顯的材料選取30CrMnSiNi2A。兩種螺栓拉斷后變形量，如圖10 所示。從圖中可以看出，30CrMnSiNi2A螺栓拉斷過程中產(chǎn)生了局部頸縮現(xiàn)象。而SS10A材料螺栓斷面收縮不明顯。

圖10 SS10A（左）和30CrMnSiNi2A（右）Fig.10 SS10A（Left）and 30CrMnSiNi2A（Right）

圖10中30CrMnSiNi2A螺栓明顯發(fā)生了塑性斷裂。對SS10A材料螺栓是否發(fā)生塑性斷裂進(jìn)行斷面分析。

SS10A螺栓斷面掃描，如圖11～圖13所示。斷口附近未見明顯變形，斷口源區(qū)位于螺紋根部表面，整個斷面未見材料缺陷，源區(qū)及擴展區(qū)微觀均呈韌窩和少量準(zhǔn)解理形貌，斷口附近的幾道螺紋根部也存在周向微裂紋。根據(jù)以上結(jié)果分析認(rèn)為，螺栓是受較大試驗載荷作用發(fā)生塑性斷裂。由此可見，即使SS10A材料螺栓在拉斷過程中發(fā)生了塑性斷裂破壞模式，但由于材料斷面收縮率較低，螺栓斷裂前剛度較大，斷裂伸長量較小。

圖11 斷面掃描Fig.11 Section Scan

圖12 斷面掃描（300倍）Fig.12 Section Scan（300times）

圖13 斷面掃描（8000倍）Fig.13 Section Scan（8000times）

因此，采用SS10A材料螺栓在局部彎矩載荷較大處的結(jié)構(gòu)連接中，螺栓容易分擔(dān)較大彎矩載荷。如果采用30CrMnSiNi2A螺栓，由于螺栓具有較小的剛度，在外部彎矩作用下，螺栓分擔(dān)的彎矩載荷較小。

4.2 有限元分析及試驗

在某型運載火箭的聯(lián)合靜力試驗中，搭載考核螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)和載荷施加情況，如圖2所示。螺栓上局部應(yīng)力分布可以通過有限元計算獲得，如圖14所示。從圖中看出，在螺紋處產(chǎn)生較大的位移量，對接面處產(chǎn)生了一定的隙縫。螺栓和結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)了外部彎矩載荷。采用剛度較大的螺栓時，外部彎矩載荷主要由螺栓承擔(dān)，容易產(chǎn)生螺栓斷裂現(xiàn)象。試驗結(jié)果也證明了這一點。在試驗中分別采用SS10A和30CrMnSiNi2A材料螺栓搭載兩次聯(lián)合靜力試驗，其中，SS10A材料螺栓發(fā)生斷裂，如圖15所示。30CrMnSiNi2A材料螺栓通過試驗考核。

圖14 連接部位變形趨勢Fig.14 Deformation Trend of Joint Part

圖15 SS10A應(yīng)力及斷裂狀態(tài)Fig.15 Bolt Stress of SS10A and Fracture State After Test

5 結(jié)論

高強度螺栓普遍地被應(yīng)用在運載火箭結(jié)構(gòu)連接處，結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到外部載荷在結(jié)構(gòu)各零件中的分配比例。對火箭連接螺栓強度和剛度設(shè)計方法分析及實例應(yīng)用，有以下結(jié)論：（1）采取剛度設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)連接結(jié)構(gòu)各組分載荷合理分配，達(dá)到結(jié)構(gòu)利用效率最優(yōu)；（2）通過螺栓的拉彎耦合試驗，給出四種不同高強度材料螺栓拉斷時的變形量，通過對比，得到不同材料螺栓的剛度特性，從試驗結(jié)果看出，30CrMnSiNi2A和30CrMnSiA 材料具有較好的剛度性能；（3）通過搭載復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)聯(lián)合靜力試驗，驗證了螺栓剛度設(shè)計方法的有效性。