複合材料夾層連線螺栓擰緊力矩試驗研究
摘要：針對纖維增強複合材料夾層在不同類別溼裝配狀態下連線螺栓的擰緊力矩問題進行了詳細的分析與試驗研究。給出了溼裝配狀態下複合材料夾層連線螺栓的部分擰緊力矩數值範圍，這些數值可以作為工程應用的重要參考依據。
1 擰緊力矩對結構靜強度和疲勞強度的影響
螺栓連線產生的預緊力是直接影響機體結構靜強度和疲勞強度的重要因素之一，而預緊力通常使受拉螺栓中的平均應力增加，應力幅降低，其綜合效果提高了結構的疲勞強度［1］。另外，預緊力的大小又直接關係到複合材料夾層的靜強度和疲勞效能，適當的擰緊力矩所得到的預緊力對複合材料夾層結構的靜力與疲勞效能具有明顯的積極作用。
擰緊力矩的大小對釘孔伸長有明顯的影響。擰緊力矩過小時，隨著疲勞過程，釘孔逐漸伸長；擰緊力矩過大時，釘孔常常表現出突然伸長的趨
勢，圍繞釘孔的損傷面積較大［2］，這兩種不合適的擰緊力矩在不同程度上會降低結構的靜強度與疲勞強度，擰緊力矩提供了釘孔附近的側向約束，阻止並延緩了複合材料區域性開裂、分層和分層擴充套件，使連線靜強度和疲勞強度均有明顯改善。
2 擰緊力矩國內外應用概況
由於擰緊力矩對結構靜強度和疲勞強度均有一定影響，只有合適的擰緊力矩才能提供結構所需的最佳預緊力，才能在一定程度上增加結構安全和可靠性，達到低成本、高壽命。傳統的擰緊力矩對於解決金屬夾層結構的連線問題起到了重要的作用。伴隨著結構材料的進步與發展，以及對飛機結構壽命提出了更高的要求，複合材料登上了歷史發展的舞臺並得以廣泛應用。由於複合材料的獨特特點和溼裝配技術的應用，使傳統的擰緊力矩已經難於滿足連線要求，而國內複合材料技術的應用起步較晚，對複合材料夾層擰緊力矩的研究幾乎處於空白狀態。相比於國外，複合材料在結構上的應用已經得到了飛速的發展，甚至複合材料用量佔結構質量已經超過50％，這在一定程度上推動了國外對複合材料夾層擰緊力矩的研究。美國等西方國家就已經研究出用於複合材料夾層連線用的高鎖螺栓／高鎖螺母等一系列標準件，而我們在複合材料夾層擰緊力矩方面的研究還停滯不前。尤其是在製造中發現標準件周圍複合材料屢屢出現分層、脫粘等現象，這些“小小瑕疵”已經嚴重威脅到產品的質量、進度和安全。鑑於上述原因，我們展開了複合材料夾層連線螺栓擰緊力矩的試驗研究。
3 槳形墊片法
國軍標GJB 715．13—90確定的槳形墊片法是一種測試擰緊力矩的標準方法之一。這種方法是將試樣安裝在墊片法試驗裝置上（見圖1），對上下圓筒施加拉力，拉力緩慢增加，上下圓筒對墊片的壓力逐漸減小，當槳形墊片在0．25 N·m力矩作用下開始轉動，試驗機圓筒所施加的拉力就是試樣的預緊力。
4 試驗
4．1 擰緊力矩與拉力（預緊力）之間的關係
圖2給出了擰緊力矩與拉力（預緊力）之間的關係。
圖形直線部分說明預緊力與擰緊力矩之間成正比關係；圖形曲線部分說明預緊力不隨著擰緊力矩的增加而增加，當擰緊力矩增大到一定程度時，被連線夾層材料已經進入塑性狀態或複合材料夾層已經區域性脫粘、分層，這時結構的靜力和疲勞效能不但沒能得到改善．反而大幅度降低［3］ ；在工程應用中擰緊力矩過大現象也經常存在，例如在未給定擰緊力矩情況下，工人會用盡全身力氣擰緊螺母，導致連線件周圍複合材料的脫粘和分層，最終導致結構靜強度和疲勞壽命的降低；對於高鎖螺栓在擰緊力矩過大的情況下螺栓頭容易脫落；另外，工程中亦存在擰緊力矩過小的情況，在飛機制造中主要體現在夾層不緊導致油箱漏油［4］；這些均是擰緊力矩不當造成的嚴重後果。針對複合材料夾層結構，圖2的直線部分則是工程應用中重點研究的部分，而圖2的曲線部分則不是本文研究的範圍。
圖2的曲線部分說明覆合材料夾層已經產生脫粘、分層等問題，為防止此類問題發生在試驗前後，應對複合材料夾層進行無損檢測，檢測結果表明本次試驗未對複合材料夾層結構產生損傷。
4．2 試驗原理
由相關材料可知，一般擰緊力矩的大小應控制在使螺栓內部產生的預應力在0．2 sigma b 左右的範圍為最佳擰緊力矩［5］。限定擰緊力矩的目的就是為了得到最佳預緊力，而技術難點就在於預緊力與擰緊力矩之間的關係。高鎖螺栓／高鎖螺母作為在複合材料夾層結構中廣泛應用的緊韌體，其擰緊力矩控制範圍在大量工程實踐中已經得到充分驗證。透過前期試驗測得高鎖螺母擰斷時螺栓內部所產生的預緊力約為螺栓材料強度極限 的17％ 一26％（下文稱作應力百分數），擰緊力矩的典型資料見表1，此數值與文獻［5］規定值約0．20“ 相符。在試驗研究過程中，我們以高鎖螺栓／高鎖螺母的預緊力為依據，對其它緊韌體與複合材料夾層結構在不同溼裝配介質作用下的擰緊力矩進行試驗研究，並確定相應的工程數值，其確定過程如圖3所示。
4．3 影響因素
扳手上的力矩由兩部分組成：
M = M P+ M T
式中：為克服螺紋間的摩擦力所必須的力矩；為克服螺母承託面上摩擦力所必須的力矩。它們分別等於：
為螺母承託面之間的摩擦係數；D為六角螺母下底圓直徑；P。為螺栓的預緊力。不難看出影響當量擰緊力矩大小的主要因素是螺紋副的摩擦係數和支承面的摩擦係數 ，由於影響摩擦係數的因素眾多（包括螺紋連線配件群的材料種類、表面狀態、螺紋精度以及潤滑狀況等因素），即擰緊力矩與螺母、墊圈、夾層以及採用何種溼裝配介質等因素有直接關係。
4．4 試驗資料
依據不同影響因素對擰緊力矩數值的影響，本次試驗共規劃試驗組合84組，每組l0件，共測得幹態80個和溼態資料840個，試驗典型資料及相關引數見表2。
從試驗所得典型資料分析，擰緊力矩使螺栓內部產生的預緊力約為螺栓強度極限的20％ 左右，符合擰緊螺栓的最佳預緊力要求。
5 資料分析
5．1 螺栓直徑與擰緊力矩的關係
在使螺栓產生相同應力百分數時，擰緊螺栓所需擰緊力矩數值隨著螺栓直徑增加而增加（見圖4）。
5．2 螺母對擰緊力矩的影響
在同一螺栓、墊圈、夾層以及同一溼裝配條件下的兩種不同材料螺母，產生相同預緊力所需擰緊力矩的比較（見圖5）。
螺栓產生相同的預緊力， 鋼質自鎖螺母（HB8232）比擰緊鈦質自鎖螺母（HB8026）需要更大的擰緊力矩。
5．3 裝配介質（密封膠、底漆、清漆）對擰緊力矩的影響
在同一螺栓、墊圈、夾層以及同一螺母條件下的兩種不同材料溼裝配介質產生相同預緊力所需擰緊力矩的比較（見圖6）。
圖中3條曲線互相交錯，說明不同溼裝配材料對擰緊力矩的影響非常接近。
5．4 不同材質墊圈對擰緊力矩的影響
在同一螺栓、墊圈、夾層以及同一螺母條件下的3種不同材質墊圈產生相同預緊力所需擰緊力矩的比較（見圖7）。
圖中3條曲線互相交錯，說明不同材料墊圈對擰緊力矩的影響非常接近。結合圖5、圖6和圖7，說明克服螺紋間的摩擦力所必須的力矩Mp比克服螺母承託面上摩擦力所必須的力矩MT 要大。
6 結論
根據測試資料得出如下結論：
（1）隨著螺栓直徑的增加，擰緊螺栓所需的擰緊力矩也在增加。
（2）各種溼狀態介質（密封膠、底漆、清漆）對擰緊力矩數值影響不大。
（3）各種材質墊圈（鋼、鋁、不鏽鋼）對擰緊力矩數值影響不大。
（4）螺母材料對擰緊力矩數值有很大影響，使螺栓產生相同的預緊力，鋼質自鎖螺母（HB8232）比擰緊鈦質自鎖螺母（HB8026）需要更大的擰緊力矩。
（5）忽略次要因素溼狀態介質、不同材質墊圈的影響，考慮主要因素螺母材料對擰緊力矩的影響，並根據試驗資料歸納出工程可用的擰緊力矩數值（見表3）。
從表3分析可知，鈦自鎖螺母（HB8026）所得擰緊力矩平均值比高鎖螺栓／高鎖螺母擰緊力矩平均值大10％左右，鋼自鎖螺母（HB8232）所得擰緊力矩平均值比高鎖螺栓／高鎖螺母擰緊力矩平均值大40％左右。
7 結束語
本次試驗所得資料已在現有型號和預研課題中得到初步應用並取得初步成效；由於現役戰機和未來戰機結構上覆合材料的應用都會佔相當大的比例，為防止複合材料分層、脫粘等損傷情況，為改善結構疲勞效能，增加疲勞壽命，控制擰緊力矩將勢在必行，所以本次試驗所得成果勢必在今後的預研和科研型號生產中得到廣泛應用。
參考文獻
［1］陳紹傑．複合材料設計手冊［M］．北京：航空工業出版社，1990．
［2］中國航空研究院．複合材料連線手冊［M］．北京：航空工業出版社，1994．
［3］陳祥寶．聚合物基複合材料手冊［M］．北京：航空工業出版社。2004．
［4］楊乃賓，張怡寧．複合材料飛機結構設計［M］．北京：航空工業出版社。2002．
［5］飛機設計手冊編輯委員會． 飛機設計手冊第三冊［M］．北京：國防工業出版社，1983．
［6］飛機設計手冊編輯委員會． 飛機設計手冊第五冊［M］．北京：國防工業出版社，1980．
