在先进复合材料热结构的制造和使用过程中，如何有效地解决部件之间的连接问题是从材料向结构跨越的最重要环节。热结构的连接要求在高温条件下保持足够的强刚度，并且不带来额外的热应力影响。国内外学者们对高温环境下热结构复合材料螺栓连接开展了广泛研究。柯晴青等［１］综述了陶瓷基复合材料连接的主要方法，指出高温下机械连接是较为可行的方法。ＭＴ航空公司设计了一种复合材料螺栓连接的Ｃ／ＳｉＣ机身襟翼，并用于Ｘ-３８再入飞行器中［２］。郝秉磊等［３］通过正弦扫频试验研究了拧紧力矩对Ｃ／ＳｉＣ螺栓连接件振动性能的影响。李俊等［４］研究了该类型紧固件在室温下的拧紧特性。闵昌万等［５］研究了Ｃ／Ｃ复合材料螺栓在拧紧力矩作用下的机械性能，提出了一种在高温下通过动力学试验获取结构连接刚度的方法［６］。
复合材料的剪切性能较低，螺牙易被拉脱，导致螺杆抗拉性能不能充分发挥［７］。Ｌｉ等［８９］比较了不同Ｃ／ＳｉＣ螺栓的拉伸强度和螺帽的剪切强度，提出可通过提高复合材料的性能来提升螺栓强度。Ｂ辞ｈｒｋ等［１０］通过试验研究了再入飞行器连接件的力学性能，发现预应力复合材料连接件在一定程度上能够缓解螺栓的松动。以Ｃ／ＳｉＣ和Ｃ／Ｃ为代表的复合材料在复杂高载荷条件下综合强度偏低，脆性及离散性较大，作为螺栓连接件应用于工程中存在较多难点［１１］。
采用高温合金材料作为热结构螺栓连接件具有多方面的优势。Ｗｕｌｚ等［１２］和Ｔｒａｂａｎｄｔ等［１３］总结了热结构的连接和荷载传递问题，指出采用金属螺栓作为热结构的连接件较为困难，需要解决热膨胀系数不同导致的不匹配情况。在常温环境下，不涉及热匹配问题，金属螺栓与复合材料的机械连接在航空结构中已得到了较成熟的应用［１４１５］。然而，当热结构在连接位置具有较大温升时，则必须考虑热膨胀系数不一致带来的影响。复合材料热结构设计的关键是要解决热环境带给连接设计的相关问题，避免高温下不同热膨胀系数导致的附加热应力和预紧力松弛、丧失连接刚度等问题。
本文研究了将高温合金螺栓作为复合材料热结构连接件时材料热膨胀系数不同导致的热适配问题。首先，推导了热适配螺栓的合理外形参数；然后，根据高温强度测试数据得到高温螺栓的合理预紧力矩取值；最后，开展了典型试验件的高温连接性能测试试验，以验证热适配技术的合理性。
１?高温合金螺栓的热适配条件
高温合金的综合强度性能远高于复合材料。Ｗｕｌｚ［１６］介绍了Ｘ３８飞行器结构设计中的高温合金螺栓连接方案，在一定程度上解决了高温合金螺栓与复合材料结构之间的热匹配性问题。本文进一步完善了不同热膨胀下热适配螺栓所需满足形状轮廓的理论推导，可作为高温合金螺栓设计的理论基础。
热适配螺栓的设计要求是，针对复合材料结构和高温合金螺栓２种具有不同热膨胀系数的材料，其接触面的几何相容关系能够随温度变化而变化。常温安装时接触面共同的边界ＡＢ如图１（ａ）所示，高温膨胀后仍然具有共同的边界Ａ′-Ｂ′，不会产生热变形导致的热应力或预紧力松弛。
当搭接板厚度相同时，采用双面热适配螺栓设计，如图１所示。图中，ｈ为螺母锥面高度，Ｈ为搭接板厚度，θ为锥角。当温度为Ｔ０ 时，高温合金螺母锥面与复合材料搭接板螺孔接触面重合（图１中Ａ-Ｂ边界），假设边界上某一点坐标为（ｘ０，ｙ０）；当温度由Ｔ０ 增加到Ｔ０ ＋ΔＴ时，由于热膨胀系数不同，２种材料中的点（ｘ０，ｙ０）将分别热膨胀至新边界Ａ′-Ｂ′上的（ｘ１，ｙ１）点和（ｘ２，ｙ２）点。热膨胀方程为
式中，Ｌ为长度；α为线膨胀系数；Ｔ为温度。对式（１）积分可得
式中，Ｄ为任意积分常数。式（１１）表明高温合金热适配螺母／螺栓头与复合材料的接触面应满足旋转对称的指数轮廓。若复合材料和高温合金２种材料在ｘ，ｙ方向上都具有相同的热膨胀系数，则ｐ＝１，螺母／螺栓头与复合材料接触面简化为旋转对称的线性轮廓。Ｄ为任意常数说明热适配螺栓的接触轮廓线只需要满足通过原点（０，０）即可，具体锥角θ可取任意值。然而，在实际的结构设计中，应考虑锥孔对复合材料拉脱强度的影响因素，一般取θ≥４５°.锥面高度ｈ应满足如下条件：常温下螺栓锥面内缘（点Ａ）在高温下的位置不超过复合材料结构锥面外缘（点Ｂ）。由于材料在ｘ，ｙ方向上具有相同的热膨胀系数，即αｘ１ ＝αｙ１ ＝α１，αｘ２ ＝αｙ２ ＝α２，因此高温下螺栓锥面内缘上点Ａ′的坐标为
复合材料锥面外缘上点Ｂ′的坐标为
当搭接板厚度不同时，可采用如图２所示的单侧热适配螺栓设计，接触轮廓线仍需通过坐标系原点，锥面高度满足式（１４）。
２?预紧力矩的选取
确定热适配螺栓的预紧力矩时应考虑如下因素：① 保证高温状态下的连接刚度；② 兼顾连接结构常、高温状态下的通用性；③ 满足复合材料的强度要求。螺栓拧紧力矩试验通常在常温下进行，由于高温合金的常、高温力学性能差异较大，因而不能将常温数据直接用于高温条件的取值［１７］。下面依据常、高温条件下的强度性能对比来推导高温条件下的预紧力矩取值。
螺栓预紧力矩Ｍ用于克服螺纹副的螺纹阻力矩Ｍ１以及螺母与被连接件支承面间的端面摩擦力矩Ｍ２。拧紧力矩与螺杆拉伸轴力Ｆ的关系式为
Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２＝ｋＦｄ （１５）
式中，ｋ为预紧力矩系数；ｄ为螺栓直径。对于普通金属螺栓，在螺栓副润滑状态下ｋ通常取值为０。１０——０。３０；而对于高温合金螺栓，不宜润滑处理导致ｋ值偏大。
对于高温合金Ｍ１０螺栓，首先在常温下测得其破坏（极限）拧紧力矩Ｍｂ ＝１５０Ｎ·ｍ，正应力σｍａｘ＝５８８ＭＰａ。正应力与拉伸轴力的关系式为
式中，Ａ为螺杆的截面积。根据式（１６）可以得到轴力Ｆ，进而计算得到预紧力矩系数ｋ＝０。３２５。通过拉伸试验，得到高温合金Ｍ１０螺栓的常温拉伸强度σｂ＝８８６ＭＰａ。螺栓处于拉伸与扭转的组合变形状态，金属材料满足ｖｏｎＭｉｓｅｓ强度准则，即
式中，σｍａｘ为最大正应力；τｍａｘ为最大切应力；σｂ为螺栓材料的极限强度。根据式（１７）可以得到τｍａｘ＝３８３ＭＰａ。按照材料力学的基本理论，可计算出Ｍ１＝τｍａｘＷＰ＝４８Ｎ·ｍ，其中ＷＰ为扭转截面系数。由此可知，Ｍ１占拧紧力矩Ｍ的３２％。
在１１００℃温度下测得螺栓拉伸强度σｂ＝４９５ＭＰａ。假设螺母与复合材料之间、螺杆与螺纹副之间的摩擦系数均不随温度发生明显变化，则高温下拧紧力矩Ｍ与轴向力Ｆ的关系不变，且Ｍ１ 占Ｍ的比例相同。根据ｖｏｎＭｉｓｅｓ强度准则，可得到高温下极限预紧力矩Ｍｂ与拉伸强度σｂ之间的关系式为
３?试验验证
为验证热适配技术的合理性，对Ｃ／Ｃ平板与高温合金螺栓组成的典型连接单元进行了高温静力试验和振动试验，测试并分析了不同温度下的预紧力矩变化，以判断连接刚度的保持情况。本试验选取的典型连接单元如图３所示，分为普通螺栓连接和热适配螺栓连接２种，其中热适配连接根据第１节中的分析进行设计。对２种连接分别进行常温和８００℃的试验。高温条件下，通过间接测量，获得预紧力矩的变化情况。静力试验是指对螺栓连接单元施加不同的拧紧力矩，然后进行拉伸测试。初始状态下载荷作用线与连接螺栓之间具有一定的夹角，采用力控方式逐渐增大载荷，测量连接单元发生转动时的载荷值，从而估算对应的预紧力矩保持情况。振动试验则是通过随机振动测试获得连接单元基频随温度的变化情况，从而判断不同温度下的螺栓预紧力矩保持情况。
高温静力试验和高温振动试验布置如图４所示。为简化试验工装设计，均只在螺栓连接局部区域加热。高温静力试验采用钩形夹具与试件两侧小孔连接，释放小孔位置的旋转自由度。高温振动试验则采用夹持方式使试验件处于悬臂状态。
通过高温静力试验获得普通螺栓和热适配螺栓的载荷位移曲线以及产生转动的临界载荷，螺栓预紧力矩为１０Ｎ·ｍ时的试验结果见图５。图５（ｂ）中曲线的水平初值是由于夹具与试验件小孔之间的初始间隙所致。试验结果表明，热适配连接单元在高温下未发生预紧力矩松弛，而普通螺栓预紧力矩大幅降低，接近于零。
通过随机振动试验，测试不同连接单元的响应，并进行模态识别得到连接单元的基频，试验结果见表１。由表可知，热适配螺栓的基频略有升高，表明采用本文提出的热适配技术能够保证高温下连接件的预紧力和刚度，而普通螺栓则出现了高温失效的现象。高温静力试验和高温振动试验均验证了本文提出的热适配螺栓设计的合理性。
４?结论
１）研究了高温合金螺栓作为复合材料热结构连接件时材料热膨胀系数不同导致的热适配问题。推导了热适配螺栓的几何外形参数，指出高温合金热适配螺栓与复合材料搭接板的接触面应满足旋转对称的指数轮廓。
２）根据高温环境下材料的强度测试结果，得到热适配螺栓预紧力矩的取值范围。
３）高温条件下采用所提热适配螺栓设计，可使高温合金螺栓与复合材料达到较好连接效果，为连接结构的热适配问题提供了一种新思路。
作者：谭志勇１?费庆国２?吴宏伟１?张宏宇１?姜?东２，３（１北京临近空间飞行器系统工程研究所，北京１０００７６）（２东南大学机械工程学院，南京２１１１８９）（３南京林业大学机械电子工程学院，南京２１００３７）
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