C/C復合材料螺栓緊固特性

孫鵬軍 雷勇軍 吳宏偉 安 軍 李新濤

(1 國防科學技術大學航天科學與工程學院，長沙 410073) (2 空間物理重點實驗室，北京 100076)(3 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

(a) A1a工況(鋁合金墊片) (b) A1b工況(C/C墊片)

C/C復合材料螺栓緊固特性

孫鵬軍1，2雷勇軍1吳宏偉2安 軍2李新濤3

(1 國防科學技術大學航天科學與工程學院，長沙 410073) (2 空間物理重點實驗室，北京 100076)(3 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 為了獲得C/C螺栓緊固特性，采用緊固力矩試驗方法開展了不同結構C/C螺栓緊固特性研究，研究內容包括不同墊片材料、單螺母和雙螺母、涂膠和不涂膠等組合情況下C/C螺栓K值的變化趨勢，并研究了C/C螺栓的極限抗扭能力。結果表明：碳基螺栓的扭矩系數值K與金屬螺栓差異很大，不同材料結構也有差異，涂膠對增加夾緊力有明顯的提高作用。

螺紋扭矩，夾緊力，扭矩系數，緊固力矩

0 引言

隨著飛行器飛行時間的增加,飛行器溫度越來越高,以往采用的金屬螺栓不能適應高溫使用環境,采用非金屬螺栓成為必然趨勢。國內外對于非金屬螺栓開展了較多的研究工作[1-7],如陶瓷、C/SiC和C/C螺栓等，研究主要集中在抗拉能力和加工工藝等方面，雖然C/C螺栓高溫抗氧化能力差，但當C/C螺栓所用部位的溫度較低，同時在安裝完成后再施加涂覆層，減少其氧化速度，所以可以予以應用。緊固件緊固力矩特性的研究和量化控制在各行業均得到了重視和研究[8-11]，積累了一定的經驗，形成了一定的方法,尤其是金屬螺栓研究[12-14]。但C/C螺栓和螺母由于應用領域較少，目前對于其緊固力矩研究還少有報道，因而需要開展大量試驗研究工作獲得相關的試驗參數，為實際使用提供依據。本文針對C/C復合材料M16螺栓的緊固力矩特性進行了試驗研究,研究不同緊固力矩情況下螺栓緊固力的差異情況。

1 試驗

1.1 試驗原理

螺栓緊固力矩試驗方法見圖1，按照GB/T16823.3—2010《緊固件扭矩—夾緊力試驗》中規定的方法進行。對螺栓、螺母受力分析可知螺母與墊片之間的摩擦力矩T1=T-Tth。通過各項測量數據，可計算獲得扭矩系數值K：

式中，T為緊固扭矩，F為夾緊力，d為螺紋公稱直徑。

1.2 試驗件

試驗產品主要包括螺栓、螺母、螺栓頭墊片、螺母墊片。螺栓規格為M16，結構為三向C/C和細編C/C兩種。螺母墊片產品共有三種：與試驗件本身同種結構的三向和細編兩種，以及模擬金屬艙體的鋁合金材料。此外，試驗還有一種狀態是增加了室溫固化耐高溫膠黏劑。

1.3 試驗流程

為了保證緊固力矩試驗過程中不出現螺釘擰斷問題，試驗先進行極限緊固力矩試驗，具體工況見表1。

表1 緊固力矩試驗內容

對整個螺釘試驗件以恒定轉速加載力矩直至試驗件喪失承載能力，由測試結果可得兩種材料結構M16螺栓的極限扭矩均為60 N·m左右。為了保證后續緊固力矩試驗順利，規定后續緊固力矩試驗最大緊固力矩不超過極限值的一半，即30 N·m，而后進行緊固力矩試驗。

2 結果及討論

2.1 極限力矩

極限緊固力矩試驗工況為：單螺母、鋁合金墊片、不涂膠，螺栓破壞后的照片如圖2所示。經試驗獲得極限緊固力矩的數據如表2所示。由表2可知雖然兩種材料極限緊固力矩相差很小，但其極限螺紋扭矩和極限夾緊力不同。斷口處細編C/C要比三向C/C纖維短，這主要是因為細編纖維每根纖維束細，從而導致這種現象。極限夾緊力顯著小于螺栓抗拉強度(小50%以上)，極限緊固破壞以剪切斷裂為主。

材料結構極限緊固力矩/N·m極限螺紋扭矩/N·m極限夾緊力/kN細編59．416．210．3三向59．720．38．58

2.2 單螺母工況

由試驗獲得單個螺母工況下的K值均值測量結果見圖3。

由圖3可見不論何種墊片材料，細編結構的螺栓扭矩系數K值均高于三向結構，這是因為細編結構表面粗糙度大，從而導致斷面摩擦大，所以K值高。相對比而言鋁合金墊片所測得的K值要大于C/C墊片，這是因為鋁合金與工裝之間以及與螺釘之間摩擦因數大，所以導致K值增大。比對涂膠和不涂膠情況可知涂膠的K值要變小,這是由于涂膠后立即開展試驗,膠液尚未固化有一定的潤滑作用,所以降低了K值。各狀態下的螺紋扭矩均值見圖4。由圖4可見,同樣緊固力矩的情況下采用鋁合金墊片相對于C/C墊片情況其作用到螺紋上的扭矩要大,不涂膠情況比涂膠情況也要大。

(a) A1a工況(鋁合金墊片) (b) A1b工況(C/C墊片)

圖4 單螺母試驗螺紋扭矩Tth值隨緊固力矩的變化

Fig.4 Diagram of average thread torque changed with tightening torque for single bolt test

2.3 雙螺母工況試驗

外螺母緊固對螺栓夾緊力的影響見表3。外螺母緊固對螺栓夾緊力的影響較為明顯，可見雙螺母情況下，對于細編C/C螺栓即使外螺母緊固力矩等于單螺母情況，其所產生的夾緊力也小于單螺母；對于三向C/C則反之。但總體而言當外螺母緊固力矩增加到比內螺母大后其加緊力均是變大。

表3 外螺母緊固力矩對螺栓夾緊力的影響

3 結論

(1)C/C螺栓K值顯著大于金屬螺栓；C/C螺栓無論墊片材料和涂膠與否，K值均隨緊固力矩增大而減??；相同緊固力矩下三向C/C的K值小于細編C/C；

(2)涂膠明顯減小螺紋副摩擦因數，導致K值明顯降低，螺紋扭矩和夾緊力明顯增大；

(3)在雙螺母情況下對于細編C/C螺栓即使外螺母緊固力矩等于單螺母，其所產生的夾緊力也小于單螺母，三向C/C則反之，可見不同材料結構螺栓其雙螺母緊固影響效果不同；

(4)同樣緊固力矩條件下C/C螺栓螺紋扭矩和夾緊力對表面摩擦特性較為敏感，且破壞模式主要為螺紋扭矩導致的剪切破壞。

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Tightening Characteristic of C/C Composite Material Bolt

SUN Pengjun1，2LEI Yongjun1WU Hongwei2AN Jun2LI Xintao3

(1 College of Aerospace and Material Engineering, National University of Defense and Technology, Changsha 410073) (2 Science and Technology on Space Physics Laboratory，Beijing 100076) (3 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 100076)

In order to obtain the tightening characteristics of C/C composite material bolt, the tightening torque characteristics of C/C composite material bolt with different structures were studied in this paper. The research can include the variation trend of the torque coefficientKof the bolts in different combinations of gasket material, single nuts and double nuts, scribbling with adhesives and non-scribbling with adhesives. The ultimate torsional resistance of C/C composite material bolt was studied. The results show that the torque coefficientKof the bolts is different from that of the metal bolts. The scribbling with adhesives can obviously improve the clamping force.

Thread touque,Clamp force,Touque coefficient,Tightening touque

2016-10-27

孫鵬軍,1974年出生，研究員，主要從事復合材料的試驗仿真研究工作。E-mail:sunpj1999@163.com

雷勇軍，1968年出生，教授，博導，主要從事計算固體力學、固體導彈結構完整性研究工作。E-mail:leiyj108@mudt.edu.cn

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.012