第一篇：先進復合材料的力學性能概述和研究展望-南京航空航天大學學報

復合材料熱結構螺栓連接剛度試驗分析方法研究

閔昌萬１

譚志勇1 費慶國2（1.北京臨近空間飛行器系統工程研究所，北京100076）

（2.東南大學工程力學系，南京210096）

摘要：本文以C/SiC螺栓為例，研究復合材料熱結構連接剛度的試驗分析方法。分析了常溫下預緊力矩與螺栓軸向力之間的關系，考慮高溫對預緊力的影響給出了預緊力矩修正公式。針對高溫條件下難以獲得螺栓真實預緊力、從而影響對熱結構連接剛度進行正確判斷的難點，建立了一種在高溫條件下通過動力學試驗獲取結構連接剛度的技術途徑，并采用典型連接件開展了相關的試驗研究。

關鍵詞：復合材料，熱結構，螺栓連接，連接剛度

目前，以C/C和C/SiC為代表的先進復合材料熱承載結構是新型飛行器等領域重要的發展方向，這種結構具有明顯超越于傳統熱防護金屬材料結構的優點，但其結構設計以及力學性能

[1,2]的評價、考核也與材料特性、實際使用環境有著顯著的關聯性。

在工程上，先進復合材料結構需要解決的一個關鍵問題是部件之間的連接，重點是對連接

[3-8]件在高溫使用環境下力學性能的評價。根據國內外相關技術資料，先進航空、航天器的最主

[9,10]要連接方式仍然是機械連接。以C/SiC材料為例，涉及到C/SiC構件之間及其與金屬之間可選用的一般有螺栓連接、鉚接、焊接和粘結四種連接方式。其中后3種連接方法都是永久性連接，只有螺栓連接可以滿足重復拆卸的要求，是熱結構實際應用時不可回避的連接方式。本文將螺栓連接結構作為研究分析的對象。

熱結構的螺栓連接件常見的是高溫金屬螺栓、陶瓷螺栓、C/C復合材料螺栓和C/SiC復合材料螺栓。圖1所示的X-38機身襟翼為C/SiC之間螺栓連接的典型構件，它由包括多個盒段的350多個各種C/SiC零件，經過C/SiC螺栓連接組合而成。這種連接結構的持久性及耐沖擊性均超出陶瓷瓦材料，并減輕了運載器的重量，并且不降低C/SiC構件的使用溫度和強韌性。

圖1 采用螺栓連接的熱結構典型構件

為保證螺栓連接的強度、剛度性能，必須保持一定的預緊力并解決使用過程中的松弛問題。對于常溫使用的金屬螺栓，可以在使用過程中實時標定和檢測，即使不能簡單地用力矩扳手測 第一作者：閔昌萬（1971—），男，研究員，博士后，從事飛行器設計研究； 通訊作者：費慶國（1977—），男，工學博士，副研究員，博士生導師，從事耦合結構動力學研究； 基金資助：國家自然科學基金（10902024），教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET-11-0086），航空科學基金（20090869009），江蘇省自然科學基金（BK2010397）量，仍有手段可以直接測量，不存在大的技術難點。然而，對于熱結構連接件，螺栓的安裝和預緊力施加都是在常溫狀態下完成的，而實際使用溫度會達到800℃～1600℃。一方面，由于熱膨脹和溫度梯度的作用，螺栓的預緊力會發生變化，預緊力明顯減小將影響結構的連接剛度，預緊力顯著增加又會降低承受外載荷的能力；另一方面，在高溫狀態下，由于常規的測試手段難于實現，直接獲得螺栓預緊力和連接剛度具有很高的技術難度。

本文以C/SiC典型連接件和配套連接螺栓為對象進行研究。基于常溫試驗分析了C/SiC螺栓預緊力矩與螺栓軸向力之間的關系，給出了C/SiC螺栓拉伸破壞的形貌和應力水平的統計。分析了連接件在高溫使用環境下影響預緊力變化的因素。進行了常溫和高溫條件下典型連接件的動力學試驗，通過多狀態試驗數據的對比判斷給出了高溫條件下連接剛度以及螺栓預緊力的變化，建立了一種通過常、高溫動力學試驗來獲取熱結構連接剛度的技術途徑。常溫條件下螺栓預緊力矩與螺栓軸向力之間的關系

本文以下均采用C/SiC材料進行研究。為了掌握螺栓的合理的預緊力矩范圍，首先應得到極限預緊力矩條件下螺栓的破壞形式，并獲得預緊力矩與螺栓拉力之間的關系。

由于難以直接測量螺栓承受的軸向力，本文采用了圖2所示的實驗裝置。根據螺栓直徑和螺桿長度設計一個金屬套筒，在套筒的合理位置粘貼應變片。首先，在標準的材料試驗機上進行套筒應變與軸向壓縮載荷之間關系的標定。然后，將套筒襯在螺栓與螺母之間進行扭轉力矩試驗，并在螺栓的光桿部位粘貼應變片，獲得的試驗件破壞形貌、螺栓軸向力與預緊力矩關系曲線、光桿上應變與預緊力矩關系曲線分別如圖3至圖5所示。

圖2 C/SiC螺栓預緊力矩與螺桿軸向力關系測試

圖3 試驗件破壞形貌

圖4 螺栓軸向力與扭轉力矩關系曲線

圖5 螺栓光桿上應變與扭轉力矩關系曲線

對于螺栓連接，預緊力矩M用于克服螺紋副的螺紋阻力矩M1以及螺母與被連接件支承面間的端面摩擦力矩M2，因此得到預緊力矩的計算公式為：

M?M1?M2?Ftan(???)d2F?K2?KMFd（1）2?式中：F—軸向力；?—螺紋升角；??arctan?—螺紋當量摩擦角；?—螺紋當量摩擦系數；d2—螺紋中徑；K2—端面摩擦力矩系數；d—螺紋公稱直徑；KM—預緊力矩系數。即對于公稱直徑d的螺栓，預緊力矩M與軸向力F呈線性關系。

圖4所示C/SiC復合材料螺栓的試驗結果完全滿足這一關系，通過圖就可以插值計算出預緊力矩系數。對于M8和M10的C/SiC標準螺紋螺栓，預緊力矩系數KM可以分別取0.90～1.05和0.80～0.95。這與金屬螺栓的KM值范圍0.10～0.30有較大差異。從圖5所示C/SiC螺栓的應變與扭轉力矩關系曲線以及試驗件破壞形貌看出，螺栓結構與材料典型拉伸試驗件的破壞類似，當螺桿與螺母間配合良好且螺母厚度h?1.5d時，一般發生螺桿拉斷，破壞應變??0.4%，破壞斷面發生了明顯的纖維拔出和界面脫粘的逐級損傷。C/SiC螺栓在拉伸破壞前的應變明顯具有兩個階段。當螺栓的拉伸應變小于?1時主要由基體承載，材料表現出的彈性模量較高且未發生微觀損傷；當拉伸應變由?1→?2時，材料由基體和纖維共同承載，螺栓內部逐步發生細觀損傷破壞，伴隨著界面脫粘、纖維拔出、基體開裂和裂紋擴展等過程，螺栓的承載能力達到極限。

根據材料表現出的力學特性，預緊力矩設計時即要保證連接面的剛性和防松能力，又不能使螺栓在日常狀態和重復拆卸的過程中產生損傷，本文給出預緊力的推薦計算值如下：

F??0.6~0.7??1AS（2）

式中?1為與?1對應的應力水平，AS為螺栓的公稱應力截面積。在實際使用時，由于難以對?1進行逐個測量，因此可首先將常溫狀態下的預緊力矩M設定為：

M??0.2~0.23?Mb（3）

式中Mb為螺栓破壞力矩。高溫連接件預緊力的影響因素分析

C/SiC螺栓連接件在使用中最高溫度達1100℃以上，升溫過程中瞬態溫度梯度作為主要因素導致熱應力松弛，影響螺栓的預緊力和連接件剛度。

對于螺栓與連接件的組合結構，當結構的各部分溫度發生變化時，將由于熱變形而產生線應變??T?T0????T，其中?是材料的線膨脹系數，T是彈性體內任一點現時的溫度值，T0是初始溫度值。如果熱變形不受任何約束時，則結構上有變形而不引起應力。但是，結構由于約束或各部分溫度變化不均勻，熱變形不能自由進行時，則在螺栓和連接件中會產生附加的熱應力。膨脹系數小的材料受到附加的拉應力?L，膨脹系數大的材料受到附加的壓應力?Y。熱應力與螺栓預緊力矩產生的預應力疊加，有可能產生熱應力松弛。

圖6 螺栓預緊力引起的應力分布范圍

對于單搭接板連接件，圖6示出了螺栓預緊力在連接板上引起的應力分布情況，對于圓頭螺栓，預緊力引起的變形區A和無變形區B均為圓柱體，對于圖3所示的方頭螺栓，A區和B區近似為圓柱體。圓柱體A在柱坐標下的應力為：

??q?a2?a2?A?1?2??0（4）? ??1?2??0，???????2???2???Ar?rq?圓柱體B在柱坐標下的應力為：

??q?b2a2?a2?B?? ???2??0，????2??0（5）22???2?r2?r?????Br?rq?b2式中r為計算點到孔軸線的距離；?r、??分別為柱坐標r、?方向的泊松比，對于二維碳布穿刺的C/SiC材料，可以認為是面內各向同性，則有?r?????；q為螺栓頭下面積上的單位壓力。

（4）、（5）式表明。螺栓預緊力使得連接件在壓縮圓柱體A的邊界內產生的完全是壓應力，在邊界外則作用著徑向壓應力和切向拉應力。熱應力導致的?L或?Y與?rA、??A、?rB、??B疊加后，預應力的變化情況比較復雜。

若螺栓、連接件的溫升?TL、?TS已知，則可以計算出熱應力載荷為： FT?KLKS??S?TS??L?TL?L（6）

KL?KS式中下角標L、S分別表示螺栓和連接件，KL、KS分別表示螺栓和連接件的剛度。對于圖6的單搭接板，有：

2?ESZ???L?2???dW???D0?（7）KS?L4?10?????式中ESZ為復合材料連接件在厚度方向的彈性模量，dW為螺釘頭折算成圓面積后對應的直徑。這樣，在高溫使用條件下螺栓的預緊力矩公式（1）即可修正為：

M?KM?F?FT?d（8）高溫連接剛度的試驗獲取技術

本文下面提出以典型連接件的動力學試驗，通過多狀態試驗數據的對比判斷給出了高溫條件下連接剛度以及螺栓預緊力的變化的新技術途徑。

圖6螺栓單搭接板典型構件的頻率特性與組合剛度K的均方根值成正比，而剛度K是結構本身剛度K1與螺栓連接和預緊力剛度KL的串聯，則可以得到下式：

?K1?KL ?i??i???K?KL?1

?2??（9）?5

1式中下角標i表示頻率的階數，?是與結構幾何和質量特性有關的參數，對于具體結構的?為定值，將（9）式中結構本身剛度與熱應力相關項單獨提取出來為K1T，則剩余項與結構不同溫度下的彈性模量E1具有相同的變化規律。討論時忽略頻率的階數i，可將（9）式改寫為：

??E1??K1T??KL ???????E??K??K1TL?1?2??（10）?1在工程應用中，存在的難點主要是通過不同狀態的試驗數據對（10）式中各項解耦。對此，考慮了5組試驗如下：

首先，采用與連接板同一批次的復合材料進行標準件強度試驗，獲得材料真實的彈性模量E1。

其次，采用與連接板相同的材料設計一個具有相同形狀但不包含連接的參考板，進行參考板常溫下狀態下的動特性試驗，此時有K1T?0，KL??。通過試驗得到的?和E1，可解算出（10）式中對應的?。

然后，對于參考板進行高溫下的模態試驗，溫度場與真實條件相同，通過本項試驗與前面試驗得到的?、E1和?，可解算出（10）式中對應的?K1T。

完成上述工作后，再進行真實連接結構的模態試驗，通過常溫和高溫條件下試驗結果的解算，即可獲得KL對應條件下的數據。高溫條件模態試驗和連接剛度識別

對參考板和典型連接板常溫下的動力學試驗以及典型連接板的高溫模態試驗分別見圖7和圖8。其中，溫度為1100℃熱環境下的模態試驗是目前結構動力學專業最前沿的試驗技術。

圖7 參考板與典型連接板在常溫下的動力學試驗

圖8 典型連接板的高溫模態試驗

常溫模態試驗中，將4個螺栓的預緊力矩分別設置為2.5Nm和3.5Nm得到的自由狀態1階頻率分別為249Hz和254Hz，驗證了連接剛度將影響試驗件的頻率特性。然后進行高溫模態試驗，常溫預緊力矩為3.5Nm的試驗件在1100℃狀態下的自由1階頻率為480Hz，表明了典型連接板在高溫狀態下的頻率遠遠高于常溫狀態。對此分析認為C/SiC材料的高溫拉/壓彈性模量較常溫變化不大，但彎曲彈性模量具有明顯的增長，是頻率明顯升高的主要原因。頻率升高的另一個原因是高溫連接剛度大于常溫連接剛度。按照本文前面推導的方法，分別計算得出常溫狀態下的結構本身剛度K1與螺栓連接剛度KL的比值是1:0.08，而在1100℃狀態下的K1與KL比值是1:0.14。在1100℃狀態下的連接剛度較常溫連接剛度有了明顯的提高。結論

本文以C/SiC典型連接結構為對象，研究復合材料熱結構連接剛度的試驗分析方法。基于常溫試驗分析了C/SiC螺栓預緊力矩與螺栓軸向力之間的關系。分析了連接件在高溫使用環境下影響預緊力變化的因素，對預緊力矩公式進行了修正。進行了常溫和高溫條件下典型連接件的動力學試驗，通過多狀態試驗數據的分析，獲得了得出常溫和高溫條件下結構剛度的變化，建立了一種通過常高溫動力學試驗來獲取熱結構連接剛度的技術途徑。

參考文獻

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Experimental Analysis on Connection Stiffness of Bolt for Thermal

Structures

Min Changwan1, Tan Zhiyong2, Fei Qingguo3

(1.Beijing Institute for Near Space Aircraft System, Beijing, 100076)(2.Department of Engineering Mechanics, Nanjing, 210096)

Abstract: This paper presents the study on connection stiffness analysis of bolt for thermal structures.The bolt made of C/SiC material is employed in the study.The function between tightening torque and axial force under normal temperature is analyzed.Then the function is modified considering the influence of temperature.Finally, a novel method is proposed to identify the connection stiffness of bolt for high-temperature structures to circumvent the problem that the axial force is difficult to be measured under high temperature.Normal temperature and high temperature modal testing are carried out with several test pieces.Keywords: composite structure, thermal structure, bolt connection, connection stiffness

第二篇：南京航空航天大學大學生創新訓練計劃項目研究總結報告

南京航空航天大學

大學生創新訓練計劃項目

研究總結報告

項目名稱：項目負責人：學號：（）項目參加者：（學號：XXXXXXXX）（學號：XXXXXXXX）（學號：XXXXXXXX）（學號：XXXXXXXX）

項目指導教師1：（所屬院系：）項目指導教師2：（所屬院系：）項目迄止時間： 20年月～ 20年月

南京航空航天大學教務處

大學生創新訓練計劃項目研究總結報告

撰寫要求

1.研究總結報告主要包括項目的研究意義及價值、具體項目研究過程（包括研究內容與方法）、結論和成果、項目的特色或創新點、應用前景、收獲和體會、尚存在的問題及進一步研究的設想等內容。

2.研究總結報告正文格式：首行縮進2個字符，小四號仿宋字體，1.5倍行距。

3.研究總結報告字數不低于5000字。

4.一律使用A4紙打印，一式三份。

1、具體項目研究過程（包括研究內容與方法）：

我們的項目一部分是基于C++編程的是數字圖像處理，所以我們首先深入學習了Visual C++的MFC編程，了解了MFC的運行機理以及編程技巧，為學習圖像處理提供技術平臺，這一過程在開始處理圖像以后也一直在進行，主要是看書加自己編程實踐。與此同時我們還學習了數字圖像處理，在初期我們力求盡快入手，直接學習圖像處理部分于是投入時間比較多，但方法不對，所以收效不是很好，于是后來我們從基礎的圖像結構學起，循序漸進，效果也逐漸顯現。在了解了C++與圖像處理的基本思想后，我們開始處理圖像，從簡單開始一步一步走下來了，如今做到了圖像的基本處理、融合。

2、尚存在的問題

由于時間和學業的關系我們做的這個項目還不是最好，存在許多問題，具體來說，第一，成果不成體系，沒有整合到一起，第二，在圖像融合方面使用方面太窄，只能實現多光譜圖像和全色圖像的融合，需要進一步拓展，第三，在檢測和跟蹤方面不夠深入，沒有做到很好。