３.試驗(yàn)方案
考慮到在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行豎直方向加載時(shí)上升的空氣熱量會使試驗(yàn)機(jī)夾頭受熱膨脹，影響試驗(yàn)，因此加載方向改為水平方向，但此時(shí)需要考慮平衡試驗(yàn)件及夾具的自重。同時(shí)，試驗(yàn)中要盡量減少熱量傳遞到加載裝置上，以免其受熱膨脹，干擾試驗(yàn)結(jié)果。因此，需要通過水冷拉板連接試驗(yàn)件與加載裝置。綜合考慮以上因素，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案如圖５所示。通過旋轉(zhuǎn)螺紋桿伸出端上的螺母對試驗(yàn)件施加水平方向（即螺紋桿軸向）的預(yù)拉伸載荷，加到一定數(shù)值后停止旋轉(zhuǎn)，利用螺母的自鎖作用固定兩端位置。石英燈加熱器按照溫度曲線加熱螺栓連接區(qū)域，豎直安裝的螺紋桿上連接的支撐桿及托板是出于平衡自重的考慮。當(dāng)螺栓預(yù)緊力下降，靜摩擦力不足以平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩時(shí)，兩板相對中央螺栓出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)裝置水平方向變形減小，使得拉伸載荷降低，拉伸載荷的變化由力傳感器測量并記錄。
由于試驗(yàn)件面積較小，且只對螺栓連接區(qū)域進(jìn)行考核，因此試驗(yàn)只需控制該區(qū)域的溫度。將試驗(yàn)件正面、背面各劃分為１個(gè)溫區(qū)，螺栓頭部所在表面為Ⅰ號溫區(qū)，螺母所在表面為Ⅱ號溫區(qū)�？販攸c(diǎn)、測溫點(diǎn)具體位置如圖６、圖７所示。為保證加熱過程中 Ｃ／ＳｉＣ 板與螺栓溫度差異不要過大，控溫點(diǎn) Ｋ１、Ｋ２分別對稱位于試驗(yàn)件正反面的螺栓附近。在每個(gè)溫區(qū)與控溫點(diǎn)對稱的位置各布置一個(gè)測溫點(diǎn)，即圖７中的Ｃ２和Ｃ５，以反映螺栓附近溫度的均勻性。距離螺栓稍遠(yuǎn)的位置各布置兩個(gè)測溫點(diǎn)，反映遠(yuǎn)端溫度高低，Ⅰ號溫區(qū)為 Ｃ１、Ｃ３，Ⅱ號溫區(qū)為 Ｃ４、Ｃ６。為直接得到螺栓溫度，測溫點(diǎn) Ｃ７通過焊接固定在螺栓伸出端的底部。拉伸載 荷 為 ５００Ｎ，２００ｓ 將 試 驗(yàn) 件 加 熱 至 最 高 溫 度１０００℃，保溫１１００ｓ，然后自然冷卻，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)至溫度下降為２００℃。
４.試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)現(xiàn)場如圖８所示。預(yù)先計(jì)劃的保溫時(shí)間為１１００ｓ，因?yàn)樵囼?yàn)開始后，拉伸載荷隨溫度升高迅速降低到較低水平，保溫段傳 感 器 讀 數(shù) 沒 有 明顯 變化，沒有必要繼續(xù)加熱，因此提前停止加熱，保溫時(shí)間不到１１００ｓ。冷卻過程中，數(shù)據(jù)未明顯恢復(fù)，載荷變化如圖９所示。試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)兩塊 Ｃ／ＳｉＣ板在試驗(yàn)前相互平齊的上表面發(fā)生了輕微的相對轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖１０所示）。這說明，螺栓預(yù)緊力在高溫環(huán)境下由于熱失配出現(xiàn)了顯著下降。
５.試驗(yàn)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)
上述試驗(yàn)方案在一定程度上已足以得到試驗(yàn)結(jié)論，但是通過分析試驗(yàn)現(xiàn)象可知，該試驗(yàn)方案還存在問題。由于拉伸載荷在螺紋桿上產(chǎn)生的拉伸變形相對試驗(yàn)件的膨脹變形不夠大，導(dǎo)致拉伸變形容易被試驗(yàn)件的膨脹變形抵消，即使在低溫段試驗(yàn)件未出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動(dòng)，也會使得測量到的拉伸載荷下降過快，不能正確反映螺栓預(yù)緊力的高溫變化。
通常，在熱力聯(lián)合試驗(yàn)中，要求試驗(yàn)夾具要有足夠大的剛度。而在本項(xiàng)試驗(yàn)中，正是由于螺紋桿剛度較大，產(chǎn)生的拉伸變形較小，使得拉伸載荷明顯受到試驗(yàn)件的膨脹變形干擾。試驗(yàn)件的熱膨脹變形在拉伸狀態(tài)下無法避免，但是可以通過采用低剛度、大變形的夾具增大試驗(yàn)裝置上的拉伸變形，從而降低試驗(yàn)件的膨脹變形 對試 驗(yàn) 結(jié) 果 的影 響。改進(jìn)后 的 試 驗(yàn) 方 案 如 圖 １１ 所 示，改 進(jìn) 的 地 方 主要有：
（１）將螺紋桿替換為大變形的彈簧（或橡皮繩等）來施加和維持拉伸載荷。試驗(yàn)件的膨脹變形在幾毫米左右（以當(dāng)前材料 參 數(shù)、尺 寸，溫 度 變 化為１０００℃），選用合適勁度系數(shù)的彈簧，加至最大載荷時(shí)彈簧伸長量可達(dá)到數(shù)百毫米量級（考慮到試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)前后伸長量有限，為便于觀察到拉伸載荷的顯著變化，彈簧變形也不能過大），可以有效地降低試驗(yàn)件的膨脹變形對拉伸載荷的影響。同時(shí)，大變形的彈簧提供了試驗(yàn)件大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)的空間，當(dāng)螺栓預(yù)緊力下降到不足以平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩時(shí)，試驗(yàn)件會在拉伸載荷作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直至中央螺栓安裝孔與兩端螺栓安裝孔位于同一直線上。試驗(yàn)過程中，拉伸載荷變化更便于觀察，并且轉(zhuǎn)動(dòng)到３個(gè)螺栓孔同一直線的位置后，彈簧仍能保持較好的拉緊狀態(tài)，傳感器采集到的載荷始終為拉力。此外，在冷卻過程中，試驗(yàn)件的收縮變形也不會對拉伸載荷產(chǎn)生明顯影響，試驗(yàn)結(jié)果更便于分析。
（２）水平加載改為豎直加載。受試驗(yàn)件自重影響，原試驗(yàn)方案中力傳感器的測量結(jié)果會受到試驗(yàn)件自重影響，而豎直加載時(shí)可通過合理布置傳感器位置消除試驗(yàn)件自重對拉伸載荷的影響。同時(shí)，由于在改進(jìn)方案中使用了大變形的彈簧進(jìn)行加載，使得夾具溫度升高產(chǎn)生的熱膨脹對于試驗(yàn)結(jié)果影響不大。
６.結(jié) 論
針對高溫合金螺栓與陶瓷基復(fù)材連接由于熱失配導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力高溫時(shí)下降的問題，研究了通過地面試驗(yàn)來測試螺栓預(yù)緊力高溫變化的試驗(yàn)方法，開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：
（1）對于高溫合金螺栓與陶瓷基復(fù)材連接結(jié)構(gòu)，高溫環(huán)境下的熱失配會導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力大幅下降，影響連接可靠性與結(jié)構(gòu)承載性能。
（2）對偏心設(shè)計(jì)的試驗(yàn)件進(jìn)行偏心拉伸試驗(yàn)，可通過分析拉伸載荷的變化，得到螺栓預(yù)緊力高溫變化趨勢。
（3）采用常規(guī)大剛度夾具加載時(shí)，試驗(yàn)件橫向膨脹會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響；采用低剛度、大變形的彈簧進(jìn)行加載，可以有效消除試驗(yàn)件膨脹變形對于試驗(yàn)結(jié)果的干擾。 |
