一種運載火箭連接螺栓剛度設計方法及應用

郭鳳明，徐 倩，吳 潔，宋漪萍

（北京宇航系統工程研究所，北京 100076）

1 引言

隨著運載火箭起飛重量和起飛推力規模的不斷增大，大集中載荷附近的結構連接成為了新型大推力火箭設計的重點和難點。運載火箭的結構連接通常采用螺栓和翻框結構連接的工藝形式，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構設計過程中，螺栓在設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。很多文獻對高強度螺栓的設計和強度校核進行了系統詳細的論述。文獻［3-6］對1300MPa級的高強度螺栓鋼的耐延遲斷裂性能進行試驗研究。文獻［7］對海洋環境腐蝕作用引起的高強螺栓應力腐蝕斷裂問題進行了分析并提出改進辦法。高強度螺栓氫脆斷裂機制［8］、熱處理工藝改進［9-11］和高強螺栓失效分析［12］等方面問題也被廣泛研究。在螺栓的結構設計和強度校核方面，文獻［13］針對螺栓強度計算采用的經驗算法和有限元計算仿真進行了分析和總結。螺栓連接剛度對整體結構模態性能的影響也被關注［14］。從螺栓剛度出發，對結構設計中的螺栓剛度匹配設計內容進行分析，并通過對典型高強度材料螺栓進行拉彎耦合試驗，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計為例，把拉彎耦合試驗結果應用到實際結構設計中，設計方案成功通過組合體聯合靜力試驗考核。

2 螺栓連接常用強度設計方法

2.1 典型翻框連接結構

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，需要承擔由于翻框結構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，還承擔翻框結構非對稱帶來的彎矩M1作用。對于某些特殊結構部位，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會更加復雜。

圖1 翻框連接結構Fig.1 Flanged Connection Structure

2.2 螺栓強度設計方法

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計方法［4］為：

式中：F—螺栓的等效軸拉載荷；k—螺紋引起的應力集中系數；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 螺栓剛度匹配設計方法

3.1 彎矩載荷分配

基于彈塑性力學和結構力學，機械結構在外部載荷作用下，會產生一定的變形，也就是產生位移。相鄰零件結構之間，會根據零件各自變形量不同，分配不同的內力。因此在結構設計過程中要考慮進行相鄰零件剛度匹配設計，這樣才能合理利用材料性能，設計結構各部分零件同時承擔外部載荷，不至于出現主要載荷由某單一結構承擔的不合理現象。

以某型運載火箭的捆綁集中載荷附近結構為例，受力分析示意圖，如圖2所示。圖中螺栓連接結構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，整體結構呈現S形狀變形，變形量由結構本身和連接件共同產生，產品顯現出在夾持件之間產生隙縫，也在螺栓螺桿的局部位置產生較大變形。其中螺栓內部產生彎矩內力M1，夾持件內部產生彎矩內力M2，靜力平衡狀態時：

圖2 復雜結構螺栓連接示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Bolt Connection of Complex Structure

3.2 螺栓設計剛度選擇

最理想的結構設計狀態為結構材料應力達到材料斷裂強度時，螺栓同時達到斷裂臨界狀態。結構和螺栓分別承擔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主要由結構承擔，即M1＜M2。螺栓剛度過大時，彎矩M0主要由螺栓承擔，即M1＞M2。由于螺栓螺紋的缺口產生應力集中效應，并且應力集中系數對螺紋小徑處表面處理質量較為敏感，因此在結構設計中應該避免采用剛度過大的螺栓承擔彎矩載荷。

由于翻框結構容易產生杠桿效應，因此螺栓內力T與外部拉伸力T0關系為：

式中：k1—由于翻框產生杠桿效應引起的拉力放大系數。當在外載作用下，上、下翻框完全分開時，k1=0。

3.3 螺栓承擔彎矩計算

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

從式中可以看出，在被連接結構形式確定的情況下（E2I2為定值），螺栓上最大應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構剛度匹配不合理，容易出現螺栓承擔較大彎矩的情況，最終會造成螺紋處應力較大，螺栓發生斷裂破壞。

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，工裝結構剛度較大，盡量減少工裝變形對測量結果的影響。

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 試驗結果分析

對四種材料M10螺栓進行偏心拉伸試驗。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系進行分析整理，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據整理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材料螺栓作為結構連接件，有利于降低螺栓分擔的彎矩載荷比例，實現連接結構的剛度匹配優化。

4 螺栓設計應用實例

某型運載火箭主捆綁對接面處連接需要采用M24規格螺栓，結構示意圖和外載荷，如圖2所示。設計之初首先進行螺栓材料的選取，之后再通過有限元計算和聯合靜力試驗驗證螺栓設計的合理性。

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，進行M24規格螺栓拉斷力試驗。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螺栓拉斷過程中產生了局部頸縮現象。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螺栓明顯發生了塑性斷裂。對SS10A材料螺栓是否發生塑性斷裂進行斷面分析。

SS10A螺栓斷面掃描，如圖11～圖13所示。斷口附近未見明顯變形，斷口源區位于螺紋根部表面，整個斷面未見材料缺陷，源區及擴展區微觀均呈韌窩和少量準解理形貌，斷口附近的幾道螺紋根部也存在周向微裂紋。根據以上結果分析認為，螺栓是受較大試驗載荷作用發生塑性斷裂。由此可見，即使SS10A材料螺栓在拉斷過程中發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構連接中，螺栓容易分擔較大彎矩載荷。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合靜力試驗中，搭載考核螺栓的結構設計。結構和載荷施加情況，如圖2所示。螺栓上局部應力分布可以通過有限元計算獲得，如圖14所示。從圖中看出，在螺紋處產生較大的位移量，對接面處產生了一定的隙縫。螺栓和結構共同承擔了外部彎矩載荷。采用剛度較大的螺栓時，外部彎矩載荷主要由螺栓承擔，容易產生螺栓斷裂現象。試驗結果也證明了這一點。在試驗中分別采用SS10A和30CrMnSiNi2A材料螺栓搭載兩次聯合靜力試驗，其中，SS10A材料螺栓發生斷裂，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應力及斷裂狀態Fig.15 Bolt Stress of SS10A and Fracture State After Test

5 結論

高強度螺栓普遍地被應用在運載火箭結構連接處，結構設計關系到外部載荷在結構各零件中的分配比例。對火箭連接螺栓強度和剛度設計方法分析及實例應用，有以下結論：（1）采取剛度設計能夠實現連接結構各組分載荷合理分配，達到結構利用效率最優；（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，從試驗結果看出，30CrMnSiNi2A和30CrMnSiA 材料具有較好的剛度性能；（3）通過搭載復雜連接結構聯合靜力試驗，驗證了螺栓剛度設計方法的有效性。