摘要：针对纤维增强复合材料夹层在不同类别湿装配状态下连接螺栓的拧紧力矩问题进行了详细的分析与试验研究。给出了湿装配状态下复合材料夹层连接螺栓的部分拧紧力矩数值范围，这些数值可以作为工程应用的重要参考依据。
1拧紧力矩对结构静强度和疲劳强度的影响
螺栓连接产生的预紧力是直接影响机体结构静强度和疲劳强度的重要因素之一，而预紧力通常使受拉螺栓中的平均应力增加，应力幅降低，其综合效果提高了结构的疲劳强度[1]。另外，预紧力的大小又直接关系到复合材料夹层的静强度和疲劳性能，适当的拧紧力矩所得到的预紧力对复合材料夹层结构的静力与疲劳性能具有明显的积极作用。
拧紧力矩的大小对钉孔伸长有明显的影响。拧紧力矩过小时，随着疲劳过程，钉孔逐渐伸长；拧紧力矩过大时，钉孔常常表现出突然伸长的趋
势，围绕钉孔的损伤面积较大[2]，这两种不合适的拧紧力矩在不同程度上会降低结构的静强度与疲劳强度，拧紧力矩提供了钉孔附近的侧向约束，阻止并延缓了复合材料局部开裂、分层和分层扩展，使连接静强度和疲劳强度均有明显改善。
2拧紧力矩国内外应用概况
由于拧紧力矩对结构静强度和疲劳强度均有一定影响，只有合适的拧紧力矩才能提供结构所需的最佳预紧力，才能在一定程度上增加结构安全和可靠性，达到低成本、高寿命。传统的拧紧力矩对于解决金属夹层结构的连接问题起到了重要的作用。伴随着结构材料的进步与发展，以及对飞机结构寿命提出了更高的要求，复合材料登上了历史发展的舞台并得以广泛应用。由于复合材料的独特特点和湿装配技术的应用，使传统的拧紧力矩已经难于满足连接要求，而国内复合材料技术的应用起步较晚，对复合材料夹层拧紧力矩的研究几乎处于空白状态。相比于国外，复合材料在结构上的应用已经得到了飞速的发展，甚至复合材料用量占结构质量已经超过50％，这在一定程度上推动了国外对复合材料夹层拧紧力矩的研究。美国等西方国家就已经研究出用于复合材料夹层连接用的高锁螺栓／高锁螺母等一系列标准件，而我们在复合材料夹层拧紧力矩方面的研究还停滞不前。尤其是在制造中发现标准件周围复合材料屡屡出现分层、脱粘等现象，这些“小小瑕疵”已经严重威胁到产品的质量、进度和安全。鉴于上述原因，我们展开了复合材料夹层连接螺栓拧紧力矩的试验研究。
3桨形垫片法
国军标GJB．13—90确定的桨形垫片法是一种测试拧紧力矩的标准方法之一。这种方法是将试样安装在垫片法试验装置上(见图1)，对上下圆筒施加拉力，拉力缓慢增加，上下圆筒对垫片的压力逐渐减小，当桨形垫片在0．25N·m力矩作用下开始转动，试验机圆筒所施加的拉力就是试样的预紧力。
4试验
4．1拧紧力矩与拉力(预紧力)之间的关系
图2给出了拧紧力矩与拉力(预紧力)之间的关系。
图形直线部分说明预紧力与拧紧力矩之间成正比关系；图形曲线部分说明预紧力不随着拧紧力矩的增加而增加，当拧紧力矩增大到一定程度时，被连接夹层材料已经进入塑性状态或复合材料夹层已经局部脱粘、分层，这时结构的静力和疲劳性能不但没能得到改善．反而大幅度降低[3]；在工程应用中拧紧力矩过大现象也经常存在，例如在未给定拧紧力矩情况下，工人会用尽全身力气拧紧螺母，导致连接件周围复合材料的脱粘和分层，最终导致结构静强度和疲劳寿命的降低；对于高锁螺栓在拧紧力矩过大的情况下螺栓头容易脱落；另外，工程中亦存在拧紧力矩过小的情况，在飞机制造中主要体现在夹层不紧导致油箱漏油[4]；这些均是拧紧力矩不当造成的严重后果。针对复合材料夹层结构，图2的直线部分则是工程应用中重点研究的部分，而图2的曲线部分则不是本文研究的范围。
图2的曲线部分说明复合材料夹层已经产生脱粘、分层等问题，为防止此类问题发生在试验前后，应对复合材料夹层进行无损检测，检测结果表明本次试验未对复合材料夹层结构产生损伤。
4．2试验原理
由相关材料可知，一般拧紧力矩的大小应控制在使螺栓内部产生的预应力在0．2sigmab左右的范围为最佳拧紧力矩[5]。限定拧紧力矩的目的就是为了得到最佳预紧力，而技术难点就在于预紧力与拧紧力矩之间的关系。高锁螺栓／高锁螺母作为在复合材料夹层结构中广泛应用的紧固件，其拧紧力矩控制范围在大量工程实践中已经得到充分验证。通过前期试验测得高锁螺母拧断时螺栓内部所产生的预紧力约为螺栓材料强度极限的17％一26％(下文称作应力百分数)，拧紧力矩的典型数据见表1，此数值与文献[5]规定值约0．20相符。在试验研究过程中，我们以高锁螺栓／高锁螺母的预紧力为依据，对其它紧固件与复合材料夹层结构在不同湿装配介质作用下的拧紧力矩进行试验研究，并确定相应的工程数值，其确定过程如图3所示。
4．3影响因素
扳手上的力矩由两部分组成：
M=MP+MT
式中：为克服螺纹间的摩擦力所必须的力矩；为克服螺母承托面上摩擦力所必须的力矩。它们分别等于：
为螺母承托面之间的摩擦系数；D为六角螺母下底圆直径；P。为螺栓的预紧力。不难看出影响当量拧紧力矩大小的主要因素是螺纹副的摩擦系数和支承面的摩擦系数，由于影响摩擦系数的因素众多(包括螺纹连接配件群的材料种类、表面状态、螺纹精度以及润滑状况等因素)，即拧紧力矩与螺母、垫圈、夹层以及采用何种湿装配介质等因素有直接关系。
4．4试验数据
依据不同影响因素对拧紧力矩数值的影响，本次试验共规划试验组合84组，每组l0件，共测得干态80个和湿态数据个，试验典型数据及相关参数见表2。
从试验所得典型数据分析，拧紧力矩使螺栓内部产生的预紧力约为螺栓强度极限的20％左右，符合拧紧螺栓的最佳预紧力要求。
5数据分析
5．1螺栓直径与拧紧力矩的关系
在使螺栓产生相同应力百分数时，拧紧螺栓所需拧紧力矩数值随着螺栓直径增加而增加(见图4)。
5．2螺母对拧紧力矩的影响
在同一螺栓、垫圈、夹层以及同一湿装配条件下的两种不同材料螺母，产生相同预紧力所需拧紧力矩的比较(见图5)。
螺栓产生相同的预紧力，钢质自锁螺母(HB)比拧紧钛质自锁螺母(HB)需要更大的拧紧力矩。
5．3装配介质(密封胶、底漆、清漆)对拧紧力矩的影响
在同一螺栓、垫圈、夹层以及同一螺母条件下的两种不同材料湿装配介质产生相同预紧力所需拧紧力矩的比较(见图6)。
图中3条曲线互相交错，说明不同湿装配材料对拧紧力矩的影响非常接近。
5．4不同材质垫圈对拧紧力矩的影响
在同一螺栓、垫圈、夹层以及同一螺母条件下的3种不同材质垫圈产生相同预紧力所需拧紧力矩的比较(见图7)。
图中3条曲线互相交错，说明不同材料垫圈对拧紧力矩的影响非常接近。结合图5、图6和图7，说明克服螺纹间的摩擦力所必须的力矩Mp比克服螺母承托面上摩擦力所必须的力矩MT要大。
6结论
根据测试数据得出如下结论：
(1)随着螺栓直径的增加，拧紧螺栓所需的拧紧力矩也在增加。
(2)各种湿状态介质(密封胶、底漆、清漆)对拧紧力矩数值影响不大。
(3)各种材质垫圈(钢、铝、不锈钢)对拧紧力矩数值影响不大。
(4)螺母材料对拧紧力矩数值有很大影响，使螺栓产生相同的预紧力，钢质自锁螺母(HB)比拧紧钛质自锁螺母(HB)需要更大的拧紧力矩。
(5)忽略次要因素湿状态介质、不同材质垫圈的影响，考虑主要因素螺母材料对拧紧力矩的影响，并根据试验数据归纳出工程可用的拧紧力矩数值(见表3)。
从表3分析可知，钛自锁螺母(HB)所得拧紧力矩平均值比高锁螺栓／高锁螺母拧紧力矩平均值大10％左右，钢自锁螺母(HB)所得拧紧力矩平均值比高锁螺栓／高锁螺母拧紧力矩平均值大40％左右。
7结束语
本次试验所得数据已在现有型号和预研课题中得到初步应用并取得初步成效；由于现役战机和未来战机结构上复合材料的应用都会占相当大的比例，为防止复合材料分层、脱粘等损伤情况，为改善结构疲劳性能，增加疲劳寿命，控制拧紧力矩将势在必行，所以本次试验所得成果势必在今后的预研和科研型号生产中得到广泛应用。
参考文献
[1]陈绍杰．复合材料设计手册[M]．北京：航空工业出版社，．
[2]中国航空研究院．复合材料连接手册[M]．北京：航空工业出版社，．
[3]陈祥宝．聚合物基复合材料手册[M]．北京：航空工业出版社。．
[4]杨乃宾，张怡宁．复合材料飞机结构设计[M]．北京：航空工业出版社。．
[5]飞机设计手册编辑委员会．飞机设计手册第三册[M]．北京：国防工业出版社，．
[6]飞机设计手册编辑委员会．飞机设计手册第五册[M]．北京：国防工业出版社，．