C／C复合材料螺栓受拉破坏模式分析

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。……