刘兴科，杨鹏飞

（中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065）

螺栓连接是一种广泛的机械连接形式，过大预紧力会造成传载过程中出现螺栓塑性变形[1]，容易出现局部应力损伤[2]，太小的预紧力会出现振动或者滑动甚至连接失效的问题。在飞机结构强度试验中，卡板加载是一种常见的加载形式[3-4]，为了得到准确和稳定的加载结果，需要对卡板螺杆施加适当的预紧力。一直以来，国内外对于卡板加载形式的预紧力研究都不是很充分，或者很难应用于实际工程试验，此类研究资料很少。

针对此类加载方式，为得到较好的连接及加载特性，应施加适当的预紧力[5]，选取合适的预紧力计算公式。本文结合工程手册，推导了拧紧力矩与螺杆预紧力之间计算公式，并设计了验证试验，通过测试结果证明了公式的可行性。同时，分析了卡板受力形式，通过分析计算给出了一般卡板预紧力选取方法，其结果可作为飞机结构强度试验中选取依据。

1 拧紧力矩和预紧力关系

在实际的试验工况中，如图1所示，一般连接件螺栓拧紧力矩和预紧力存在一定联系，预紧力Qp的数值根据螺栓本身和螺母与板、垫圈接触面粗糙程度确定如下。

图 1  拧紧力矩

螺旋副间的摩擦力矩为：

式中，d2为螺纹中径， 为螺纹升角，φv为当量摩擦角。螺母与支撑面之间的摩擦力矩为：

式中，fc为螺母与被连接件承压面间摩擦系数，D0为螺母承压面外径，d0为螺母承压面内径。

拧紧力矩T等于T1和T2之和：

式（4）即为本文预紧力计算关系式。

实际应用中常见的是一般加工表面，且无润滑的普通粗牙螺纹，故在飞机结构强度试验中，卡板中拧紧力矩系数K=0.3，这符合式（4）计算结果，拧紧力矩系数一般在0.1～0.3范围内变动，具体值可参考表1。

表1   拧紧力矩系数K

2 测试试验

2.1 测试方法

图2为一般飞机结构强度试验中卡板加载形式，采用前后两根螺杆将上下承载垫块夹紧，通过调节螺杆拧紧力矩大小，改变垫块接触力小大。图3为卡板加载传力原理，其中Qp为预紧力，两端拧紧力矩相等，F1为1号垫块接触力，F2为2号垫块接触力，a、b、c为各段尺寸。当两端预紧力相等时，。其中，所选取的螺杆直径d=20 mm。

图 2  卡板加载形式

图 3  测试原理

测试方法及具体流程如下。

（1）取卡板横梁一对，在横梁之间的横梁与杠杆连接处安装力传感器，为了保持平衡共安装2个，安装示意图见图4。

（2）初始状态下记录力传感器读数，消除卡板横梁自重的影响。

（3）逐级加大两侧螺母拧紧力矩，同时记录横梁之间力传感器数据。

（4）更换横梁，重复（2）、（3）步骤测试不同类型横梁相同连接螺杆数据。

（5）根据测量结果与杠杆结构算得横梁紧固螺栓拧紧力矩与预紧力之间对应关系。

图4   卡板预紧力测试安装图

2.2 测试结果

螺杆拧紧过程中逐级记录测力传感器1和测力传感器2的反馈，表2为不同横梁下螺杆预紧力测试结果。

表2   拧紧力矩与预紧力测试结果 N

图5为拧紧力矩与预紧力测试结果，可以看出，所测得数据呈线性分布，截距由测试时预先拧紧调零造成。忽略调零影响，故可仅取，根据式（4），可得理论，测试结果与理论计算相差3%，证明了理论公式推导的合理性。因此，此理论公式可作为工程计算卡板螺栓预紧力公式。

图5   载荷-拧紧力矩趋势

3 卡板预紧确定

通常的卡板加载首先作用在试验件上，一般希望施加的拧紧力越小越好。卡板为螺杆连接，螺母和被连接件结合面之间的接触挤压传递轴向力，压紧横梁在加载过程中会出现弯曲，因此要求在试验加载状态下保持适当的预紧力，此预紧力在结构和材料确定之后仅与卡板设计尺寸相关。螺纹的最大受力取决于最大拉载F，图6为其使用状态下受力情况，对于合金钢螺杆，[6]，飞机结构强度试验要求传载设备安全系数δ不小于4倍，则 。

图6   卡板预紧后使用受力分析

式（8）可作为一般飞机结构强度试验卡板预紧力计算依据，其中d1为螺纹小径，结合公式（4）可选择合适的拧紧力矩。

4 结    论

结合一般飞机结构强度试验中卡板加载及受力特点，推导了卡板螺杆预紧力与拧紧力矩转换公式，设计了合理的预紧力测试方法，测试结果与理论分析吻合较好，验证了计算公式的正确性，此方法可作为一般测试卡板形式加载系统预紧力方案。通过受力分析，给出了工程实际中预紧力大小的设置范围，其可作为飞机结构强度试验中卡板预紧力选择方法，具有一定的工程意义。