复合材料螺栓联接螺纹载荷分布规律研究

基于Abaqus有限元分析软件建立了复合材料螺栓联接的三维有限元模型,以预测复合材料螺栓联接的螺纹载荷分布,为使模型符合真实情况,将螺母支承在弹性地基上并通过Abaqus USDFLD子程序考虑了C基或SiC基复合材料拉压不对称特性。此外,本文对预测金属螺纹的载荷分布的Yamamoto方法进行了经验性的推广,使其可以反映C基或SiC基复合材料的各向异性和拉压不对称性。通过对比多组材料及几何参数下推广的Yamamoto方法（EYM）和有限元法（FEM）预测的螺纹载荷分布验证了推广的Yamamoto方法的有效性。研究结果表明：复合材料螺栓联接的载荷分布通常比金属联接的载荷分布更均匀;随着螺距与直径之比的增加,螺纹载荷分布不均程度有所增加;复合材料螺栓绕其轴线相对于螺母的转动对载荷分布几乎没有影响。     

基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性

在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。      

室温下C/SiC复合材料螺纹紧固件的拧紧特性

探讨了C/SiC陶瓷基复合材料螺纹紧固件在室温下的拧紧特性。试验测试了紧固件在拧紧和拧松过程中, 力矩与预紧力两者的对应关系, 记录了预紧力在短时、 长时内的减小比率, 并用显微镜观察了螺纹面的磨损情况。另外, 分析了材料非线性拉伸行为对拧紧状态所造成的影响。结果表明: 拧紧、 拧松力矩与预紧力之间近似呈线性关系, 螺纹面和支承面的平均摩擦系数分别为0.52和0.46; 随拧紧力矩增大, 螺纹面产生一定程度磨损, 螺纹之间的相互嵌入作用减弱, 因此预紧力在拧紧后的降幅减小, 稳定性提高; 对螺栓进行适当的预拉伸处理, 提高材料的弹性极限后, 可提高紧固件的抗松弛能力。     

基于有限元的一种新型螺母的防松机理研究

利用有限元软件ABAQUS,建立一种新型防松螺母和标准螺母的三维有限元模型,并分别与标准螺栓装配。首先分析在循环横向载荷作用下,锁紧后的标准螺母螺栓预紧力和啮合螺纹间微滑移的变化趋势;随后比较了相同初始预紧力条件下,新型防松螺母和标准螺母承受一定的循环横向载荷时剩余预紧力和啮合螺纹微滑移。结果表明,循环横向载荷下,预紧力的降低和啮合螺纹间的微滑移是螺栓联结松动的主要原因;初始预紧力对剩余预紧力百分比和微滑移有较大影响,在允许条件下应尽量增大预紧力;同时,该防松螺母具有较好的抵抗自松动的能力,这与试验结果吻合较好。最后研究了防松螺母的防松机理以及工作时产生的附加弯矩随预紧力的变化趋势。     

铁基形状记忆合金防松螺母防断机理的数值分析

由于铁基形状记忆合金材料本身的特殊性能,由其制成的螺母所组成的螺栓联接中,不仅螺纹副之间的自锁摩擦力矩有所提高,而且轴向载荷在各螺纹齿间分布的均匀性也得以改善,从而有效地防止了螺纹联接松动、松脱及疲劳断裂等失效现象的发生。主要对这种新型螺母的防断机理进行了分析,建立了螺栓联接载荷分布的计算模型,并通过与普通螺栓联接的比较,对这种新型螺母的防断性能进行了评价。     

低温及大温差区输电铁塔螺栓扭矩及横向振动试验研究

螺栓松动是强风和舞动区输电铁塔横担损坏的主要原因,输电线路运行环境温度及其变化会对螺栓应力和防松性能产生影响。通过开展低温及大温差环境下输电铁塔螺栓扭矩试验和横向振动试验,获得了施工扭矩下-50℃～30℃的螺栓预紧力及材料强度利用系数,确定了输电线路运行环境温度及温差变化对螺栓预紧力及防松性能的影响规律,评估了输电铁塔单螺母和双螺母螺栓在低温及大温差环境下的防松效果。按照现行规范的输电铁塔螺栓施工扭矩,-50℃低温及80℃温差环境下施工不会对输电铁塔螺栓强度安全产生影响。输电铁塔螺栓按照相同扭矩在室温环境施拧后,随横向振动环境温度(30℃～-50℃)的降低,输电铁塔螺栓振后残余预紧力百分比逐渐增大,即在低温运行环境下螺栓的防松性能有所提高。其中,单螺母螺栓-50℃环境下的防松性能比室温20℃环境下提高了41.0%。     

输电铁塔双螺母防松螺栓横向振动试验研究

螺栓松动是强风区和舞动区输电铁塔横担损坏的主要原因,通过开展三种型式输电铁塔双螺母螺栓的横向振动试验,获得了双螺母螺栓的预紧力时程曲线,分析了上、下螺母安装扭矩比例对螺栓预紧力衰减特性的影响规律。下螺母与上螺母安装扭矩之比为25%时,普通双螺母螺栓的防松性能最佳。完成了输电铁塔横担在舞动工况下的横向振动试验,确定了铁塔横担螺栓松动顺序和松动位置的分布规律。舞动荷载作用下横担下平面螺栓易发生松动,其中下平面主材与固定端连接螺栓、横担端部挂点处杆件连接螺栓的松脱现象最为严重,建议设计时进一步提高横担下平面主材及斜材连接螺栓的防松性能。     

振动工况下螺栓连接自松弛机理研究

为研究振动工况下螺栓连接自松弛机理,利用ANSYS参数化语言建立考虑螺纹的三维螺栓连接有限元模型,用降温法加载预紧力,进行螺栓连接横向振动瞬态分析;研究横向激励幅值、初始预紧力、螺纹啮合面、螺栓头及螺母承压面以及连接物之间结合面的摩擦因数等对螺栓连接自松弛影响。结果表明,横向振动时完全滑移先发生于螺纹啮合面处;横向激励幅值越小、初始预紧力越大、螺纹啮合面及螺栓头、螺母承压面摩擦因数越大,螺栓连接自松弛越不易发生;激励幅值一定时连接物间结合面摩擦因数对自松弛无影响,但摩擦因数越大,发生横向振动所需剪切载荷越大。研究结果对理解螺栓连接自松弛、指导防松设计具有重要意义。     

基于时频分析的高温振动环境螺栓连接件松动判别

针对某型复合材料螺栓连接件,研究其在高温环境下的振动特性,为表征其松动特性提供理论和试验依据。利用振动控制系统,温度控制系统和非接触式激光测量系统实现了1 000℃高温环境下的复合材料螺栓连接件振动试验。并利用短时傅里叶方法提取高温环境下的振动响应特征量,结合复合材料连接件的振动基频,二倍频幅值和二倍频与基频幅值的比值对连接结构的松动状态进行综合评判。试验结果表明,在连接件宏观松动现象非明显情况下,所提评判方法能够综合评估复合材料螺栓连接件在高温振动环境下的松动特性。     

新型基片材料——C/SiC复合材料

阐述了目前常用的3大类基片材料,即塑料基、金属基和陶瓷基材料,比较了3类材料的性能,得出了陶瓷基材料是综合性能较好的基片材料的结论,并比较了目前陶瓷基片材料中的Al2O3、AlN、BeO、SiC的性能,认为SiC作为基片材料具有良好的发展前景;针对单相SiC陶瓷固有脆性导致难以大尺寸成型的问题,提出了使用C/SiC复合材料制备基片材料的可能性,并综述了C/SiC复合材料的制备工艺,比较了3种工艺(PIP、CVI、LSI)所制备的材料的性能,认为液相渗硅(LSI)C/SiC复合材料制备大尺寸封装基片材料是未来最具前景的发展方向。     

Internal friction and dynamic modulus of three-dimensional silicon carbide-matrix composites

The internal friction and dynamic modulus of 3D C/SiC and SiC/SiC composites were investigated by means of forced vibration at elevated temperatures from room temperature to 600 °C, and the relationship between the microstructural defects in the composites and the internal friction mechanism was also discussed. It was found that the microstructural defects, which are produced by the mismatch of the coefficient of thermal expansion (CTE) between the fiber and matrix, have an important effect on the internal friction behavior and dynamic modulus of 3D C/SiC and SiC/SiC composites. C/SiC composites have a higher internal friction and lower dynamic modulus than SiC/SiC composites in the same testing conditions because of the damage.     

Berechnung der drehwinkelgesteuerten Montage von Schraubenverbindungen

Calculation of tightening with angular control for bolted connections For high utilization of bolted connections, tightening beyond yield point of the screw is recommended – the keyword is tightening with angular control or „turn‐of‐the‐nut‐method”︁. Up to now calculations for technical design of bolted connections are due to assembly only with elastic stressing of the bolt. Therefore, assembly specifications of angular controlled tightening are formulated from experience or experiment. This paper proposes a handable method for calculation of snug torque and tightening angle and shows dependencies of most important parameters. Besides this a verification of the calculated results with experimental tests is done. Considered are most significant influences, which are bolt materials behaviour, geometry, length of plastification and friction.     

2D C/SiC复合材料氧化损伤的红外热波成像检测

采用红外热波成像技术分别对二维叠层C/SiC(2D C/SiC)复合材料的无SiC涂层盲孔试样和有SiC涂层的三点弯曲强度试样的氧化损伤进行无损检测。分析了材料氧化损伤与热辐射强度信号之间的关系, 以及热扩散系数与材料密度、抗弯强度之间的关系, 探索了采用红外热波成像检测和评价2D C/SiC氧化损伤的可行性。检测结果表明: 红外热波成像可以直观地反映2D C/SiC复合材料的氧化损伤。2D C/SiC氧化后的密度随热扩散系数的减小呈对数降低, 其抗弯强度随热扩散系数的减小呈抛物线降低。由此得出, 热扩散系数可以作为衡量陶瓷基复合材料的氧化损伤程度的依据, 红外热波成像是一种无损检测陶瓷基复合材料氧化损伤的有效方法。      

界面相对3D-SiC/SiC复合材料静态力学性能及内耗特征的影响

采用先驱体浸渍裂解工艺制备无界面、SiC、PyC和PyC/SiC等界面相SiC/SiC复合材料,研究了SiC/SiC复合材料的微观结构及静态力学性能,并通过强迫振动法系统分析了界面相对复合材料内耗行为的影响。研究结果表明,引入界面相有效改善了复合材料的微观结构及力学性能,并降低了复合材料的内耗。其中, PyC/SiC复相界面中亚层SiC限制了PyC界面相与纤维的结合及塑性形变,提高了复合材料的力学性能;同时,界面相对SiC/SiC复合材料内耗行为有显著影响,材料内耗水平与界面剪切强度成反比。对比50和350℃时的材料内耗变化率发现,随界面剪切强度增大,材料内耗呈降低的趋势,且含有PyC的PyC/SiC界面复合材料具有较低的内耗变化率,说明PyC/SiC复相界面的SiC/SiC复合材料更适于高温振动环境。     

Si-B-C陶瓷涂敷2D C/SiC复合材料的抗氧化性能

利用化学气相沉积(CVD)法制备了Si-B-C陶瓷涂敷改性的2D C/SiC复合材料, 研究了其在700～1200 ℃氧化10 h性能和结构的演变规律以及自愈合机制, 同时获得了Si-B-C涂层在不同温度氧化后的形貌、 组分和物相转变规律。结果表明: 涂敷在复合材料表面的Si-B-C陶瓷随温度的升高氧化加快, 但氧化程度较低, 不深于7 μm; 随温度的升高, 氧化形成的硅硼玻璃黏度降低, 挥发增强; 当温度达到1200 ℃时, 硅硼玻璃析出SiO₂晶体; Si-B-C陶瓷涂敷改性的C/SiC具有优良的抗氧化性能, 随氧化温度的升高, 复合材料失重率增加, 但在1200 ℃氧化10 h后失重率仅为0.47%; 此外材料在1000 ℃氧化后的强度保持率最高, 达到91.6%, Si-B-C陶瓷氧化形成的硅硼玻璃可以有效封填裂纹, 这是材料具有优良抗氧化性能的主要机制。     

Verification and prediction of residual strength of C/SiC composites under non-stress oxidation

This article describes the strength behavior of C/SiC composites under non-stress oxidation. The oxidation kinetics model of a ceramic matrix composite contains both a reaction-controlled process and a diffusion-controlled process. The oxidation process has an effect on the fiber volume fraction, radius, and the composite interface shear stress. We obtained the residual strength of unidirectional C/SiC composites under 400–900 °C oxidation with non-stress environments by combining the mass loss rate model with the strength failure model at room temperature. This model considers the different components of the system to be subject to oxidation at different temperature ranges. Then, the influence of oxidation temperature, oxidation time, and fiber volume fraction on residual strength was studied. Experiments on C/SiC composites at 650 and 800 °C in an air environment with non-stress conditions were then performed, and the theoretical results of C/SiC composites were in good agreement with the experimental data.     

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战EI北大核心CSCD

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。     

高超声速飞行器复合材料翼面结构1100℃高温环境下的热模态试验

为了在热模态试验中获得难于测量的超过1 000℃的高温环境下复合材料翼面结构的振动特性参数,将高温瞬态热试验系统与振动试验系统相结合,建立了可对高超声速飞行器耐高温复合材料翼面结构进行1 100℃高温环境下热模态研究的热/振联合试验系统。通过自行研制的耐高温陶瓷导杆引伸装置将复合材料翼面结构上的振动信号传递至非高温区域,使用常温加速度传感器对高温环境下高超声速飞行器翼面结构上的振动信号进行数据识别;并运用时-频联合分析技术对试验数据进行分析处理,实现了在1 100℃热/振复合环境下对复合材料翼面结构的模态频率、模态振型等关键振动特性参数的试验测试。研究结果为高超声速飞行器复合材料翼面结构在高温环境下的动特性分析及安全可靠性设计提供了重要依据。     

真空吸浆法制备C/SiC复合材料及力学性能研究

以碳毡为预制体,将SiC粉末、酚醛树脂等搅拌成混合浆液,采用真空吸浆法制备C/SiC复合材料,测定其密度、孔隙率和力学强度,利用扫描电镜(SEM)研究其断裂面的微观结构并分析失效机制。结果表明:真空吸浆两次后C/SiC复合材料的致密性、力学强度随着浆料中SiC含量的增加均呈先增加后减小的变化趋势,其裂纹扩展过程包括纤维/基体脱粘、纤维桥连、纤维摩阻、裂纹偏转、纤维拔出等几种增韧增强机制。综合比较,当浆料中SiC含量为25%(质量分数)时,其致密性和力学性能最好,密度为1.31g/cm3,孔隙率为15.10%,抗弯强度和抗压强度分别达84.04MPa和74.22MPa,材料具有较好的韧性。