-
在不同温度下,被连接件厚度方向变形与螺栓变形不匹配导致螺栓预紧力发生变化。当温度降低时,被连接件收缩变形量大于螺栓收缩变形量,预紧力减小;温度升高时,被连接件膨胀变形量大于螺栓膨胀变形量,预紧力增大。图2为螺栓连接多层结构示意图。
假设所有材料产生的温度变形均在其弹性范围内,材料热膨胀系数不随温度变化。对定标器在温度
$ {t_0} $ 下施加初始预紧力,考察温度$ t $ 时预紧力变化。预紧力变化过程应满足变形协调条件,即:式中:
$ {\delta _t} $ 为螺栓与被连接件之间的热膨胀相对变形量;$ {\delta _F} $ 为预紧力变化产生的螺栓变形量与被连接件变形量之和。式中:
$ {\alpha _0} $ 为螺栓材料线膨胀系数;$ {\alpha _i} $ 为多层结构中第$ i $ 层材料线膨胀系数;$ n $ 为被连接件层数;螺栓钉头到辐射板结合面的长度$ {l_0} $ 应等于所有层板厚度之和,即${l_0} = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{l_i}}$ ;$ \Delta F $ 为预紧力变化值,工程上常通过力矩法测试拧紧力矩变化评价预紧力变化;$ {C_0} $ 为螺杆轴向刚度,螺栓连接段可简化为圆柱体结构;$ K $ 为被连接件轴向刚度,可通过压缩试验测得力-位移曲线获得。因功能限制,不宜在定标器结构上作改变,亦不适合采用热适配螺栓连接,需从关键材料筛选、装配参数选择两方面调控法向预紧力,提升结构热稳定性。
-
热适配需要螺栓和被连接材料热膨胀性能相匹配,而被连接材料中隔热材料的选择是热适配设计的关键。对不同材料组合进行对比分析,−100 ℃下拧紧力矩变化如表1所示。可以发现隔热材料选择聚四氟乙烯,螺栓选用不锈钢时,拧紧力矩变化较小主要由于不锈钢螺栓相对钛合金螺栓热膨胀系数更高,同时轴向刚度更大,而聚四氟乙烯热膨胀系数小于硅橡胶。选择不锈钢与聚四氟乙烯的组合,可使螺栓与被连接件之间的热膨胀相对变形量较小,由温度变化导致的预紧力变化更小,结构相对更稳定。
Heat insulation material Bolt material Relative deformation
of thermal
expansion/mmChanges of bolt
tightening
torque/N·mSilicone rubber Stainless steel 0.27 13.4 Teflon Stainless steel 0.14 10.4 Silicone rubber Titanium alloy 0.35 14.5 Teflon Titanium alloy 0.22 12.5 Table 1. Changes of bolt tightening torque with different materials at −100 ℃
-
定标器材结构与材料确定后,初始拧紧力矩的选择同样会影响结构热稳定性。施加不同初始力矩,剩余拧紧力矩及螺栓轴向应力如表2所示。当初始拧紧力矩为10 N·m甚至更小时,−100 ℃剩余拧紧力矩为0,螺栓松动。当初始拧紧力矩为22 N·m甚至更大时,高温状态螺栓轴向拉应力大于6.8级碳素合金钢螺栓屈服极限的80%,螺栓可能变形。因此,初始拧紧力矩应介于12~20 N·m之间。
Original
tightening
torque/N·m−100 ℃ 140 ℃ Residual tightening torque
/N·mResidual tightening torque
/N·mBolt axial stress
/MPa10 0 20.4 253.6 12 1.6 22.4 278.5 14 3.6 24.4 303.4 16 5.6 26.4 328.2 18 7.6 28.4 353.1 20 9.6 30.4 378.0 22 11.6 32.4 402.8 Table 2. Residual bolt tightening torque and axial stress when applying different original tightening torque
-
采用单螺栓压紧结构测试高低温预紧力变化,验证材料选择的正确性,明确初始拧紧力矩的选择范围,并探究高低温状态下异质多层结构螺栓预紧力变化规律。单螺栓压紧结构如图3所示。试验过程中,在室温20 ℃施加初始拧紧力矩,分别升降温至140 ℃/−100 ℃后,回复至室温20 ℃,测试不同温度下的剩余拧紧力矩。
螺栓变形及拧紧力矩变化如图4所示。从图中可以发现以下规律:
(1)采取上述材料设计方案,初始拧紧力矩取10~18 N·m,满足结构热适配要求。
(2)一定范围内,变形与拧紧力矩呈线性关系,其斜率可表征多层结构轴向刚度。斜率越大表示该温度条件下多层结构轴向刚度越小。
(3)低温工况下,拧紧力矩变小,恢复至室温时,拧紧力矩可恢复。温度变化过程中多层结构轴向刚度几乎不变。表明经过低温工况,材料属性以及结构特征(配合间隙等)未发生变化。
(4)高温工况下,拧紧力矩比初始状态更低,可能是高温状态下材料热膨胀系数非线性变化以及材料的高温蠕变导致的[14];经高温工况,拧紧力矩减小,主要是由于聚四氟乙烯板在高温应力作用下发生了一定的塑性变形。
(5)反复升降温使层板相互挤压,层与层之间贴合度变优,多层结构轴向刚度提高。
-
由于不同材料热膨胀系数差异,多层结构在温度变化过程亦会发生面内收缩或膨胀,导致层板翘曲。不同功能层上的螺栓安装孔在温度载荷作用下的位移不同,会对螺栓产生剪切作用。功能层材料中聚四氟乙烯与其他材料热膨胀系数差异最大,温度载荷造成的翘曲变形和对螺栓的剪切力最大。通过调整聚四氟乙烯板安装孔参数,以适应异质多层结构热胀冷缩。
红外定标器采用M8螺栓连接不同功能层,螺栓外套14 mm隔热套,防止螺栓位置漏热。根据红外定标器设计尺寸与安装状态,以辐射面变形为基准,以距离中心最远的安装孔为对象,计算从20 ℃降温至−100 ℃,不同功能层安装孔在重力与温度载荷作用下,孔径和孔位变化,结果如表3所示。不考虑层与层之间摩擦力,聚四氟乙烯板上孔径应大于37.3 mm,铝合金制冷板上孔径应大于15.9 mm,隔热套不与通孔边缘接触,此时通孔边缘变形和剪切应力均为零。
Functional layer and materials Thickness
/mmDiameter change/mm Hole location change/mm Heat insulation layer
(Teflon)8 0.21 13.96 Radiating surface
(Copper)25 0.03 2.32 Refrigeration layer
(Aluminum)23 0.05 3.25 Table 3. Deformation of mounting holes under temperature changes and gravity
实际情况下,安装孔孔径过大对安装稳定性以及多层板传热均匀性不利,应考虑在螺栓剪切力承受范围内,一定程度扩大安装孔孔径即可。螺栓最大剪切应力发生在聚四氟乙烯与铜板交界处,由聚四氟乙烯板孔壁承担主要变形。针对聚四氟乙烯板采用不同孔径安装孔,螺栓受力以及变形情况进行计算,如表4所示。6.8级螺栓承受静载荷时,许用切应力为192 MPa,将聚四氟乙烯安装孔孔径增大至25 mm以上,可满足螺栓剪切安全要求。
Displacement fringe at −100 ℃ Mounting hole diameter/mm Shear stress
/MPaDeformation/mm 17 313.34 0.015 22 215.66 0.0086 25 160.4 0.0065 28 110.25 0.0043 30 83.61 0.0032 Table 4. Effects of mounting hole diameter on shear stress and deformation of bolt
-
通过有限元仿真,分析高低温条件下红外定标器的整体变形与应力分布。以20 ℃为参考温度,对定标器施加重力载荷和温度载荷。红外定标器整体变形如图5所示。从变形分布图可以看出,高温状态下,定标器轻微往前凸,低温状态下,定标器轻微往后凹,整体变形最大为7.1 mm,造成的弯矩小于28.4 N·m,结构热变形不足以导致定标器倾覆。
由于不同材料热膨胀系数差异,功能层材料尤其是聚四氟乙烯板会发生褶皱,面内变形与厚度方向变形的耦合造成不同位置的螺栓预紧力变化不一致。分析定标器螺栓轴向应力可以发现,上下边缘的螺栓应力随温度变化明显大于其他位置。层板的褶皱变形使得高低温情况下均有部分螺栓松弛或涨紧,不同状态螺栓占总螺栓数比例如表5所示。高低温状态下,连接安全有效的螺栓比例均达到了90%以上。可根据不同位置螺栓拧紧力矩变化,制定差异化装配参数,即适当提高低温松动螺栓的初始拧紧力矩,适当降低高温涨紧螺栓的初始拧紧力矩,进一步提高安全螺栓的比例。
Temperature/℃ Residual tightening torque Safe and
effective
connection0 N·m 0-2 N·m >28 N·m >30 N·m Loose Relaxation Inflation Deformation 140 2.56% 0 2.56% 0 94.9% −100 3.85% 2.56% 0 0 93.6% Table 5. Proportion of bolts in different states
Optimal design and verification of thermal adaptive structure for infrared calibrator with large surface
doi: 10.3788/IRLA20220463
- Received Date: 2022-09-10
- Rev Recd Date: 2022-10-15
- Publish Date: 2023-03-25
-
Key words:
- infrared calibrator /
- thermal adaptive structure /
- preload /
- warping deformation
Abstract: