瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化
赵淑媛1,李正禹1,蒲泽良1,孙新杨2,张文娇3
（1哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;
2哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;
3东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）
创新点说明：
采用有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行热力耦合分析,分析了瞬态热载荷作用下热应力及装配参数的变化,为避免连接结构的早期破坏提供理论基础。
研究目的：
陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。当这种类型的结构件被用于高温瞬态热载荷状态下时,由于陶瓷基复合材料与金属的热膨胀不匹配,会导致连接部位产生额外的热应力,并改变接头的连接参数,从而使结构提前发生破坏。因此,研究瞬态热加载对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。
研究方法：
针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,使用有限元软件ABAQUS建立单钉单搭接螺栓连接结构的热分析模型。通过计算得到模型在给定的热边界载荷作用下的瞬态温度场,将温度场结果导入到应力场分析中,结合材料模型的UMAT程序,实现了模型的热力耦合分析。通过研究连接结构在高温热载荷作用下产生的热应力场,讨论了瞬态升温过程对连接结构预紧力、钉孔配合精度产生的影响
结果：
2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构在受到温度载荷作用而产生温度变化后,装配时施加的预紧力会发生松弛现象,并且螺栓钉孔间的间隙也会缩小,预紧力下降值与温度载荷值呈现线性关系,钉孔间隙的减小值与温度载荷值呈现二次曲线的关系。
结论：
本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了瞬态热加载条件下结构热应力及螺栓预紧力和钉孔间隙等装配参数的演化,所得结果将用以指导工程实践中陶瓷基复合材料连接件的设计和使用。
关键词：陶瓷基复合材料;热分析;热应力;预紧力;钉孔间隙
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吕超1,赵淑媛2*,李正禹2,蒲泽良2,董江龙2,孙新杨3,张文娇4
（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2．哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080; 3．哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;4．东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）
创新点说明：
基于有限元软件ABAQUS对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构的单轴拉伸性能进行渐进损伤分析,研究了螺钉几何参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能及失效行为的影响规律,并给出了连接结构失效载荷最大时的螺钉尺寸参数。
研究目的：
陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。螺钉的尺寸参数显著影响陶瓷基复合材料螺栓连接结构承载能力,对螺钉的几何尺寸进行设计对提高陶瓷基复合材料-金属螺栓连接结构的承载能力具有重要意义。
研究方法：
针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,利用UMAT子程序将材料模型嵌入到ABAQUS有限元模型中建立了单钉单搭接螺栓连接结构的渐进损伤分析方法。基于已建立的C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的有限元模型,研究六角凸头螺钉的螺钉直径、钉头直径及钉头高度对于连接结构孔周应力分布、拉伸强度以及破坏方式的影响情况,讨论给出承载能力最大的螺钉最优几何参数。
研究结果：
C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的刚度随螺钉直径的增加小幅下降,受钉头直径与厚度的影响较小。在给定的螺钉直径、钉头直径及钉头厚度参数范围内,连接结构的拉伸强度均先随各参数的增加而增大而后降低,当螺钉直径为5mm,钉头直径为9.5mm,钉头厚度为2.8mm时室温最终失效载荷达到最大。
结论：
本研究基于ABAQUS有限元软件对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金进行有限元渐进损伤模拟分析,讨论螺钉尺寸参数对于连接结构拉伸性能的影响规律,为陶瓷基复合材料机械连接结构的工程应用提供设计分析基础及指导。
关键词：2D C/SiC陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;螺钉连接;螺钉参数