孙鹏军 雷勇军 刘晓华 崔鹏飞 张宏宇
（1 国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙 410073）（2 空间物理重点实验室，北京 100076）
0 引言
高温情况下金属螺栓的使用遇到了很多瓶颈，所以选用C／C螺栓成为必然趋势。国内外对于复合材料螺栓开展了较多的研究工作［1－5］，主要集中在抗拉性能和加工工艺等方面。复合材料螺栓连接松弛问题也有较多的研究［6－7］，J.B.Ickford ，S.D.Thoppul等人［8－9］深入研究了螺栓连接的力学行为、预紧力响应以及螺栓连接预紧力松弛时变行为；T.H.Sun、K.I.Tserpes等人［10－11］采用三维有限元建模方法模拟复合材料螺栓连接，其结果与实验值较为接近；S.C.Tan、P.P.Camanho 等人［12－13］引入并完善了渐进损伤有限元分析方法，对复合材料连接进行模拟；M.L.Dano［14］通过有限元数值模拟，研究了材料失效准则与特性退化方法对渐进失效模型的影响。复合材料连接件拧紧力矩特性的研究也在各行业得到了重视［15－18］，对于 C／C 螺栓的细节设计还未见报道，国内外研究重点还是金属螺栓［19－20］细节优化上。本文针对两种C／C螺栓破坏形式的不同，开展了机理分析工作，并和实测参数进行了比对分析。
1 试验
1.1 结构简介
C／C螺栓设计目前处于初期阶段，图1为这种螺栓连接形式简图。
图1 C／C螺栓连接形式简图Fig.1 Sketch of the C／C bolt joint
螺栓头设计是综合了金属螺栓头的设计方法和C／C材料的特点，其中螺栓头上的锥面是为了保证安装过程中的配合精度，并起到导向作用；螺栓头上面的圆柱段，是避免C／C材料脆性特点而出现崩裂等情况。这种螺栓头结构形式已经在三向正交结构C／C螺栓和细编穿刺结构C／C螺栓上得到了应用，目前这两种螺栓结构尺寸相同。
1.2 试验结果
进行了三向正交及细编穿刺结构C／C螺栓的拉伸试验。实验在拉伸机上进行，加载速率为2 mm／min。三向正交结构C／C螺栓共进行了5件拉伸试验，其均值为26.04 kN；细编穿刺结构C／C螺栓共进行了3件拉伸试验，其均值为24.83 kN。图2为三向正交结构C／C螺栓试件破坏后的形貌，可以看到是从螺栓头中剪切破坏。细编穿刺结构C／C是螺纹中部拉断，与金属螺栓相似。
图2 三向正交结构铺纱螺栓拉伸破坏形貌Fig.2 Tensile broken interface morphology of three⁃dimensional fiber placement bolt
由试验数据对比可知在同样尺寸情况下，虽然三向正交结构C／C螺栓破坏形式表现为螺栓头拉脱，但其抗拉强度要高于细编穿刺结构C／C情况。依据试验过程可知两种螺栓拉伸破坏为脆性破坏。
2 螺栓头受力分析
结合试验结果可知三向正交结构C／C螺栓破坏表现出从螺栓头处拉剪断裂。在螺栓受拉的情况下，设其受到的拉力为F，则被连接件提供给螺栓头合力也为F，这两个力是通过图3（沉头角取90°）中的剪切面进行传递，则剪切面上受到剪力同样为F。
图3 螺栓头尺寸及受力简图Fig.3 Structure and force analysis sketch of bolt head
剪切面上受到的力F与剪应力τ的关系为
螺栓上受到的力F与拉伸应力σ的关系为
由于这两个力是相等的，消除公约量可得
实际设计中若要保证不从剪切面破坏，依据上面公式则剪切长度的表达式为
即，在螺栓头沉头锥角为90°情况下，按式（4）设计的螺栓可以保证不出现从剪切面破坏问题，其他仰角情况可以参照设计。
3 破坏模式分析
依据公式（2），则螺栓光杆试验情况下拉伸应力的计算公式如下：
式中，σ为螺栓光杆上的拉伸应力，F为螺栓所承受的拉伸载荷，d1为第一次测量光杆直径，d2则为转过90°之后测量的螺栓光杆直径。
螺栓头处剪切应力的计算公式如下：
依据试验前测量数据，采用以上两个公式得到三向正交和细编穿刺C／C两种结构螺栓光杆部分拉伸应力和螺栓头部位等效剪应力（层剪和面剪的合成）均值见表1。根据结构实际图纸可知，该螺栓的小径为13.835 mm，参考式（5）计算得到螺纹小径拉伸应力均值结果见表1。表2为两种结构螺栓本体实测力学性能。
表1 M16螺栓拉伸试验计算应力值表Tab.1 Calculating stress datasheet of M16 boltin tensile experiment MPa
表2 螺栓材料实测力学性能Tab.2 Mechanical properties datasheet of bolt material in tensile measurement MPa
由表1三向正交结构C／C等效剪应力值与表2中三向正交结构C／C面内和层间剪切强度均值比较可见两者相差很小；而三向正交结构C／C拉伸强度要大于螺纹小径拉伸应力均值，可见三向正交结构C／C螺栓破坏确实是由于剪切引起，这主要是因为螺栓头结构形式决定的。同样由表1和表2中细编穿刺结构C／C数据可见细编穿刺结构C／C螺栓的破坏是由于螺纹小径处受拉破坏引起的。
在螺栓受拉情况下，螺栓头部会受到剪应力作用，由于螺栓结构特点导致当在某一个面上受到的是层间剪应力，而与该面垂直的方向上的面受到的是面剪应力，所以图5中受剪面实际上是面剪和层剪的混合剪切应力作用，其破坏不能简单以某一种剪应力进行评估，而是综合作用的结果。同时通过试验数据对比可见，其综合剪应力破坏值是面内和层间剪切强度的均值。
4 结论
（1）螺栓头剪切破坏是面内和层间剪切综合作用的结果，其剪切破坏强度是面内和层间剪切两者均值；
（2）C／C螺栓拉伸破坏断裂要用螺栓小径进行评估，其破坏强度可以直接用螺栓受拉方向上材料拉伸强度；
（3）螺栓头的设计决定了螺栓的破坏形式，当螺栓头结构设计合理的情况下，可以最大发挥复合材料拉伸和剪切性能极限。
［1］ NAKAMURA M，Shigematsu I.Joining of carbon fibre⁃re⁃inforced silicon nitride composites with 72Ag－26Cu－2Ti filler met⁃al［J］.Journal of Materials Science，1996，31（17）：4629－4634.
［2］ DADRAS P，NGAI T T，Mehrotra G M.Joining of carbon－carbon composites using boron and titanium disilicide interlayers［J］.Journal of the American Ceramic Society，2010，80（1）：125－132.
［3］王杰，李克智，郭领军，等.炭布叠层穿刺C／C复合材料螺栓连接件微观组织和力学性能［J］.固体火箭技术，2012，35（2）：248－252.
［4］刘杰，李海滨，刘小瀛.3D针刺C／SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能［J］.航空学报，2013（7）：1724－1730.
［5］美CMH－17协调委员会.复合材料手册［M］.上海：上海交通大学出版社，2015：492－502.
［6］裴瑞光，肖毅，陈豪麟，等.复合材料螺栓连接预紧力松弛的温度－时间依存行为［J］.复合材料学报，2016，33（4）：768－778.
［7］张振，肖毅，刘彦清，等.基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性［J］.复合材料学报，2016，33（1）：163－173.
［8］ BICKFORD J.An introduction to the design and behavior of bolted joints，revised and expanded［M］.Los Angeles：CRC Press，1995：24－31.
［9］ THOPPUL S D，FINEGAN J，GIBSON R F.Mechanics of mechanically fastened joints in polymer⁃matrix composite struc⁃tures—A review［J］.Composites Science and Technology，2009，69（3）：301－329.
［10］ SUN H T，CHANG FUKUO，QING XINLIN.The re⁃sponse of composite joints with bolt⁃lamping loads［J］.Journal of Composite Materials，2002，36（1）：47－67／69－92.
［11］ TSERPES K I，LABEAS G，PAPANIKOS P，et al.Strength prediction of bolted joints in graphite／epoxy composite laminates［J］.Composites Part B Engineering，2002，33（7）：521－529.
［12］ TAN S C.A progressive failure model for composite laminates containing openings［J］.Journal of Composite Materials，1991，25（5）：556－577.
［13］ CAMANHO P P，MATTHEWS F L.A progressive dam⁃age model for mechanically fastened joints in composite laminates［J］.Composites Part A，1997，28A：529－547.
［14］ DANO M L，GENDRON G，Picard A.Stress and failure analysis of mechanically fastened joints in composites laminates［J］.Composite Structures，2000，50（1）：287－296.
［15］孙鹏军，雷勇军，吴宏伟，等.C／C复合材料螺栓紧固特性［J］.宇航材料工艺，2017，47（1）：59－61.
［16］闵昌万，谭志勇，龙丽平.C／C复合材料螺栓在拧紧力矩条件下的力学性能研究［J］.强度与环境，2012，39（3）：1－6.
［17］刘旭波.螺栓拧紧力矩对复合材料连接强度影响试验研究［J］.科技创新导报，2014（23）：26－26.
［18］黄金昌，王晓冬.复合材料夹层连接螺栓拧紧力矩试验研究［J］.飞机设计，2009，29（2）：32－35.
［19］姜大成，吕长生，张新军.某型直升机侧垂尾螺栓结构改进设计［J］.机械工程师，2014（4）：119－120.
［20］郭家平，熊璇，党晓娟，等.钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响［J］.南京航空航天大学学报，2016，48（1）：21－28.
