艾延廷，王銀虎，劉 玉，田 晶，付鵬哲，劉仕運(yùn)

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外殼一般是由分段機(jī)匣通過螺栓結(jié)構(gòu)連接而成[1]。機(jī)匣作為主要承力部件，受到軸向力、彎矩和內(nèi)外壓差等載荷的共同作用，安裝邊結(jié)合面容易發(fā)生分離而引起內(nèi)部氣體泄漏，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小，燃油消耗率增加，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和工作效率，甚至?xí)绊懓l(fā)動(dòng)機(jī)有效使用壽命[2]。因此，安裝邊結(jié)合面密封特性的分析對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要意義，同時(shí)也可以為安裝邊的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[3–4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在安裝邊密封特性的研究方面開展了大量的研究，一些學(xué)者認(rèn)為安裝邊的密封狀態(tài)主要與結(jié)合面的接觸狀態(tài)有關(guān)，而接觸狀態(tài)可以通過結(jié)合面的接觸應(yīng)力分布情況來判斷[5–8]。因此，安裝邊裝配后接觸應(yīng)力的檢驗(yàn)是確保密封性能的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的接觸應(yīng)力測(cè)量方法主要有壓力敏感片法、應(yīng)變片法、光彈性法、X射線衍射法和非侵入式超聲波法等。壓力敏感片法[9–10]是將壓敏片放置于接觸面之間直接對(duì)連接結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，壓力越大產(chǎn)生的紅色斑塊越密集，但是只能定性地顯示結(jié)果。應(yīng)變片法[11–12]只能實(shí)現(xiàn)零件表面應(yīng)力的單點(diǎn)測(cè)量。光彈性法[13–14]是將零件放在偏振光場(chǎng)中并把透明光彈性片粘貼在零件表面上，根據(jù)零件受力變形引起貼片干涉條紋的變化來測(cè)量應(yīng)力狀態(tài)，但是測(cè)量周期長(zhǎng)，測(cè)量系統(tǒng)昂貴。X射線衍射法[15–16]是利用X射線掃描零件，得到滿足布拉格方程時(shí)的衍射角與晶面間距，再根據(jù)彈性力學(xué)方程計(jì)算應(yīng)力，但對(duì)材料表面處理要求嚴(yán)格。非侵入式超聲波法[17–18]是使用超聲波集中打在夾緊的界面上，通過接觸面間空氣層反射的聲波信號(hào)來判斷接觸狀態(tài)，當(dāng)被緊固件相對(duì)較厚時(shí)，得到的圖像發(fā)散嚴(yán)重，無法定量分析。綜上所述，使用以上試驗(yàn)手段，想要定量地、實(shí)時(shí)地進(jìn)行預(yù)緊過程中安裝邊結(jié)合面接觸狀態(tài)的分析，還存在一定的困難。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器技術(shù)已引起了研究人員的廣泛關(guān)注。柔性傳感器可以隨意折疊，能很好地貼合被測(cè)物體表面，具有廣闊的應(yīng)用前景[19]。二維層狀過渡金屬碳氮材料 （MXene）不僅具有類似金屬的超高電導(dǎo)率，還具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，可以同時(shí)滿足傳感器對(duì)傳感性能和機(jī)械性能的要求[20–21]。王蘇等[22]基于MXene/多壁碳納米管的柔性壓力傳感器成功將一顆質(zhì)量為0.58 g的小磁子負(fù)載前后的狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)。Song等[23]通過鎳海綿、MXene及PDMS制備的柔性壓力傳感器表現(xiàn)出較寬的壓力范圍和高的靈敏度。Li等[24]通過PU海綿、殼聚糖溶液和MXene懸浮液制備的柔性壓力傳感器在經(jīng)歷5000次循環(huán)負(fù)載后傳感性能仍不受影響，說明其具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。上述研究顯示出MXene傳感器在螺栓連接結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

綜上，本文采用了一種高性能的MXene柔性壓力傳感器對(duì)機(jī)匣安裝邊接觸應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。該傳感器具有超寬的壓力測(cè)量范圍 （0～180 MPa）、快速的響應(yīng)時(shí)間 （50 ms）、較高的靈敏度 （1.3 MPa–1）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性 （2×104次循環(huán)）。傳感器由3層組成，柔性印刷電路板為底層，MXene為中間層，柔性聚酰亞胺膜為頂層。傳感器基于柔性材料制成，尺寸靈活多變，能夠針對(duì)各種機(jī)匣安裝邊的實(shí)際形狀特征進(jìn)行陣列集成設(shè)計(jì)，又因其具有優(yōu)越的性能，故可以滿足機(jī)匣安裝邊接觸應(yīng)力測(cè)量的要求。

本文通過集成設(shè)計(jì)后的傳感器陣列，建立了一套機(jī)匣安裝邊接觸應(yīng)力分布測(cè)量裝置，可以精確實(shí)現(xiàn)安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力在預(yù)緊過程中的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并以此對(duì)仿真方法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上又分析了安裝邊結(jié)構(gòu)參數(shù) （安裝邊厚度、螺栓數(shù)量和螺栓直徑）與安裝邊連接螺栓預(yù)緊扭矩的改變對(duì)安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 接觸應(yīng)力有限元分析

采用有限元軟件ANSYS Workbench 2021 R2對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)某分段機(jī)匣進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。建立兩層等厚度機(jī)匣安裝邊有限元模型，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Table 1 Structural dimension parameters mm

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣為圓筒薄壁結(jié)構(gòu)，兩段機(jī)匣及止口圓環(huán)采用90個(gè)M8螺栓連接，機(jī)匣材料為45號(hào)鋼，螺栓的材料為GH4738，材料參數(shù)見表2。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，選取帶有兩個(gè)螺栓的扇區(qū) （整體模型的1/45）進(jìn)行分析，保留安裝邊倒角、圓角等結(jié)構(gòu)，將螺母和螺栓的螺紋均簡(jiǎn)化為圓柱體。在對(duì)模型劃分網(wǎng)格前對(duì)機(jī)匣模型設(shè)置周向循環(huán)對(duì)稱，如圖1所示。

圖1 循環(huán)對(duì)稱區(qū)域Fig.1 Region of cyclic symmetry

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

采用多區(qū)域劃分方法對(duì)機(jī)匣安裝邊劃分六面體網(wǎng)格，并對(duì)安裝邊結(jié)合面的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。最后得到的模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為280198，單元數(shù)為56696，該網(wǎng)格通過了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division

為了準(zhǔn)確探究航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊結(jié)合面的接觸情況，對(duì)建立的有限元模型設(shè)置邊界條件時(shí)，除了將機(jī)匣一端固定支撐外，僅對(duì)螺栓施加預(yù)緊力。根據(jù)螺紋連接準(zhǔn)則要求，公稱直徑為M8的螺栓預(yù)緊力矩選取22 N·m，預(yù)緊力矩與預(yù)緊力的換算公式[25]如下。

式中，F(xiàn)p為螺栓預(yù)緊力，N；M為預(yù)緊力矩，N·m；d為螺栓公稱直徑，m；由式（1）可以得出，在有限元計(jì)算中施加的螺栓預(yù)緊力Fp為16176.47 N。另外，安裝邊之間與止口之間設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.15，安裝邊與螺栓和螺母的接觸設(shè)置為綁定接觸，采用增強(qiáng)拉格朗日法處理接觸面。機(jī)匣安裝邊受力如圖3所示。

圖3 機(jī)匣安裝邊受力圖Fig.3 Force diagram of casing flange

通過有限元計(jì)算，分析在預(yù)緊力加載完成之后機(jī)匣安裝邊的接觸特性，選擇查看安裝邊之間接觸面的接觸應(yīng)力分布情況，如圖4所示。提取安裝邊結(jié)合面所有節(jié)點(diǎn)的接觸應(yīng)力數(shù)值，使用MATLAB擬合應(yīng)力曲面，如圖5所示。

圖4 接觸應(yīng)力分布Fig.4 Contact stress distribution

圖5 接觸應(yīng)力曲面Fig.5 Contact stress surface

從圖4可以看到，安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力僅集中在螺栓孔附近區(qū)域，最大接觸應(yīng)力位于螺栓孔邊緣，接觸應(yīng)力沿著螺栓孔徑向逐漸減小，除螺栓孔附近區(qū)域外，其他區(qū)域接觸應(yīng)力基本為0 MPa。從圖5可以更直觀地看到接觸應(yīng)力的分布情況，通過接觸應(yīng)力曲面與坐標(biāo)可以得到結(jié)合面上任意一點(diǎn)的接觸應(yīng)力數(shù)值。

2 接觸應(yīng)力分布測(cè)量

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊接觸應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置如圖6所示，由4部分組成，分別為機(jī)匣安裝邊密封試驗(yàn)件、壓力傳感器陣列、應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)采集儀。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置Fig.6 Field test device

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the test system

為了測(cè)量機(jī)匣安裝邊在螺栓預(yù)緊過程中結(jié)合面接觸應(yīng)力的分布情況，需要將傳感器陣列集成化。因此，針對(duì)安裝邊實(shí)際形狀特征對(duì)柔性印刷電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感器陣列如圖8所示，具體位置如圖9所示。如圖8所示，單一壓力傳感器單元點(diǎn)為直徑5 mm的圓片，通過導(dǎo)電銀漿將它們逐一粘貼在螺栓孔周圍布置的13組電極點(diǎn)上，然后焊接好對(duì)應(yīng)傳感器通道的連接導(dǎo)線，完成壓力傳感器陣列的組裝。整個(gè)壓力傳感器陣列的厚度尺寸為0.13 mm，將其安裝在兩層安裝邊之間，不影響機(jī)匣自身裝配。壓力傳感器陣列通過導(dǎo)線與Agilent數(shù)據(jù)采集器連接，使用扭矩扳手對(duì)連接螺栓進(jìn)行預(yù)緊。在螺栓預(yù)緊過程中，螺栓預(yù)緊力的大小由埋入式應(yīng)變計(jì)測(cè)量 （測(cè)量誤差約為1%），應(yīng)變數(shù)據(jù)由東華DH5921型數(shù)據(jù)采集儀采集，圖10為埋入式電阻應(yīng)變計(jì)的軸向力與應(yīng)變的關(guān)系圖。

圖8 傳感器陣列Fig.8 Sensor array

圖9 傳感器位置Fig.9 Sensor positions

圖10 電阻應(yīng)變計(jì)軸向力–應(yīng)變標(biāo)定曲線Fig.10 Axial force–strain calibration curve of the resistance strain gauge

2.2 傳感器壓力標(biāo)定

在進(jìn)行機(jī)匣安裝邊接觸應(yīng)力分布測(cè)量之前，需要通過拉伸試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)AL–7000–LA20）對(duì)傳感器陣列中每個(gè)傳感器進(jìn)行壓力標(biāo)定。傳感器夾在兩個(gè)圓形鋼塊之間，圓形鋼塊與機(jī)匣采用同一種材料制造，均為45號(hào)鋼，這兩個(gè)圓形鋼塊的橫截面積為38.5 mm2，高為12 mm。設(shè)置拉伸試驗(yàn)機(jī)加載速率為0.15 mm/min，加載應(yīng)力值不小于180 MPa。得到加載過程中每一個(gè)壓力傳感器在相應(yīng)壓力下的ΔR/R0值，其中R0是在無壓力負(fù)載的情況下運(yùn)行壓力傳感器的初始電阻，ΔR是在ΔP壓力負(fù)載下傳感器的電阻變化。采用最小二乘法擬合，取得電阻變化率與對(duì)應(yīng)壓力載荷的關(guān)系，就可以得到每一個(gè)壓力傳感器的壓力標(biāo)定曲線。由圖5接觸應(yīng)力曲面可知，接觸應(yīng)力僅集中在螺栓孔附近區(qū)域，故選取兩螺栓孔孔周的1、4、5、7、10、13號(hào)傳感器作為典型壓力傳感器。典型壓力傳感器的壓力標(biāo)定曲線如圖11所示。

圖11 典型壓力傳感器標(biāo)定曲線Fig.11 Typical pressure sensor calibration curves

經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理計(jì)算，可以得到典型壓力傳感器的壓力標(biāo)定曲線方程為

式中，P為壓力；K、B為標(biāo)定系數(shù)。典型壓力傳感器壓力標(biāo)定曲線方程的標(biāo)定系數(shù)與擬合優(yōu)度如表3所示。

表3 標(biāo)定系數(shù)與擬合優(yōu)度Table 3 Calibration coefficients and goodness of fitting

從表3可知，典型壓力傳感器在0～180 MPa內(nèi)的擬合優(yōu)度R2均大于0.95，標(biāo)定試驗(yàn)線性良好。通過上述方法，可以得到所有壓力傳感器的標(biāo)定系數(shù)與擬合優(yōu)度。

2.3 傳感器陣列時(shí)域響應(yīng)

使用扭矩扳手對(duì)傳感器陣列周圍的兩個(gè)螺栓同時(shí)進(jìn)行預(yù)緊，然后將壓力傳感器陣列的數(shù)據(jù)通過Agilent數(shù)據(jù)采集器 （34972A）進(jìn)行全過程采集，對(duì)采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以提取得到每一個(gè)壓力傳感器在預(yù)緊過程中實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)值。典型壓力傳感器在加載過程中的時(shí)域響應(yīng)如圖12所示。

2.4 結(jié)果對(duì)比分析

為了得到在預(yù)緊過程中結(jié)合面的接觸應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)變螺栓的時(shí)域數(shù)據(jù)可以確定預(yù)緊扭矩的達(dá)到時(shí)間，再根據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)確定壓力傳感器的實(shí)時(shí)電阻變化率，最后代入對(duì)應(yīng)的傳感器標(biāo)定曲線就可以得到相應(yīng)的接觸應(yīng)力值，結(jié)果對(duì)比分析流程如圖13所示。

圖13 結(jié)果對(duì)比分析流程圖Fig.13 Result comparison and analysis f lowchart

根據(jù)東華DH5921型數(shù)據(jù)采集儀記錄，在16.1 s時(shí)預(yù)緊扭矩達(dá)到22 N·m，提取此扭矩條件下安裝邊接觸應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison of test results and simulated results

從圖14可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)吻合良好，試驗(yàn)值均在傳感器陣列壓力測(cè)量范圍內(nèi)。螺栓孔周區(qū)域的接觸應(yīng)力值大，兩螺栓中間區(qū)域接觸應(yīng)力值基本為0，試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果保持一致，相同位置測(cè)點(diǎn)接觸應(yīng)力誤差均在7%以內(nèi)，證明了本方法的有效性。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)緊力矩對(duì)接觸應(yīng)力影響分析

通過控制變量法改變機(jī)匣安裝邊的結(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)緊力矩，分析各參數(shù)的改變對(duì)安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。研究對(duì)象是前文所建立的機(jī)匣安裝邊模型，為了便于研究，將該模型定義為基礎(chǔ)模型。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括安裝邊厚度t、螺栓數(shù)量n與螺栓直徑d，如圖15所示。

圖15 結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.15 Schematic diagram of structural parameters

除前文施加的固定約束與螺栓預(yù)緊力外，對(duì)機(jī)匣另一端施加40 kN軸向力，對(duì)機(jī)匣內(nèi)壁施加0.2 MPa內(nèi)部氣體壓力，接觸設(shè)置與前文一致，圖16為施加在機(jī)匣上的載荷與約束。圖17是基礎(chǔ)模型結(jié)合面接觸應(yīng)力與接觸間隙分布，提取結(jié)合面兩螺栓中心周向路徑上的接觸應(yīng)力與接觸間隙如圖18所示。

圖16 載荷與約束Fig.16 Loads and constraints

圖17 接觸應(yīng)力與接觸間隙分布Fig.17 Contact stress and contact gap distribution

圖18 周向路徑接觸應(yīng)力與接觸間隙Fig.18 Contact stress and contact gap of circumferential path

從圖17可知，安裝邊結(jié)合面之間的接觸應(yīng)力與接觸間隙分布匹配一致，結(jié)合面僅在螺栓孔周圍區(qū)域緊密貼合，其他區(qū)域存在間隙，尤其是大都分布在兩螺栓孔中間，該區(qū)域是密封的薄弱區(qū)域。從圖18可知，接觸應(yīng)力為0的區(qū)域存在接觸間隙，最大接觸間隙位于兩螺栓孔的正中間，而接觸間隙會(huì)導(dǎo)致機(jī)匣內(nèi)部氣體泄漏，因此零接觸應(yīng)力的周向長(zhǎng)度可以衡量安裝邊密封性能。

3.1 安裝邊厚度變化對(duì)接觸應(yīng)力影響

以基礎(chǔ)模型為研究對(duì)象，分析安裝邊厚度t對(duì)結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。分別取安裝邊厚度為3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm、4.5 mm、5.0 mm。安裝邊厚度變化時(shí)，其他參數(shù)保持不變，螺栓數(shù)量為90個(gè)，螺栓直徑為M8，預(yù)緊力矩為22 N·m。計(jì)算各厚度模型周向路徑上的接觸應(yīng)力結(jié)果如圖19所示。

圖19 不同安裝邊厚度接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.19 Calculation results of contact stress with different flange thicknesses

由圖19可知，隨著安裝邊厚度的增加，安裝邊結(jié)合面零接觸應(yīng)力的周向長(zhǎng)度越來越小，密封性能越來越好。這是因?yàn)樵谄渌Y(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)緊力矩不變的情況下，厚度方向上的剛度隨著厚度的增加而增大，增強(qiáng)了安裝邊抵抗厚度方向上變形的能力。結(jié)合面之間貼合得更加緊密，間隙區(qū)域減小，零接觸應(yīng)力周向長(zhǎng)度減小。但是增加安裝邊厚度的同時(shí)，機(jī)匣的整體重量也會(huì)增加，影響推重比的提高，因此要綜合考慮密封性能與機(jī)匣整體重量來確定安裝邊厚度。

3.2 螺栓數(shù)量變化對(duì)接觸應(yīng)力影響

以基礎(chǔ)模型為研究對(duì)象，分析螺栓數(shù)量n對(duì)結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。分別取螺栓數(shù)量為72個(gè)、78個(gè)、84個(gè)、90個(gè)、96個(gè)。螺栓數(shù)量變化時(shí)，其他參數(shù)保持不變，安裝邊厚度為4 mm，螺栓直徑為M8，預(yù)緊力矩為22 N ·m。計(jì)算不同螺栓數(shù)量模型周向路徑上的接觸應(yīng)力，結(jié)果如圖20所示。

圖20 不同螺栓數(shù)量接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.20 Calculation results of contact stress with different bolt number

由圖20可知，隨著螺栓數(shù)量的增加，安裝邊結(jié)合面零接觸應(yīng)力的周向長(zhǎng)度越來越小，密封性能越來越好。這是因?yàn)槁菟〝?shù)量的增加相當(dāng)于減小了相鄰兩螺栓之間的周向距離，螺栓孔之間的接觸區(qū)域減小，而螺栓只能對(duì)螺栓孔周圍的區(qū)域產(chǎn)生夾緊作用，所以增加螺栓數(shù)量有利于提高安裝邊的密封性能。但是增加螺栓數(shù)量的同時(shí)，機(jī)匣的整體重量也會(huì)增加，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求重量達(dá)到最小，所以螺栓的數(shù)量不能任意增加，要綜合考慮密封性能與機(jī)匣整體重量來確定螺栓數(shù)量。

3.3 螺栓直徑變化對(duì)接觸應(yīng)力影響

以基礎(chǔ)模型為研究對(duì)象，分析螺栓直徑d對(duì)結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。分別取螺栓直徑為M6、M8、M10、M12。由于上述4種不同直徑螺栓的預(yù)緊力矩各不相同，因此統(tǒng)一加載M6螺栓所規(guī)定的最大預(yù)緊力矩12 N·m。螺栓直徑變化時(shí)，其他參數(shù)保持不變，安裝邊厚度為4 mm，螺栓數(shù)量為90個(gè)。計(jì)算不同螺栓直徑模型周向路徑上的接觸應(yīng)力結(jié)果，如圖21所示。

圖21 不同螺栓直徑接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.21 Calculation results of contact stress with different bolt diameters

由圖21可知，隨著螺栓直徑的增大，安裝邊結(jié)合面零接觸應(yīng)力的周向長(zhǎng)度越來越小，密封性能越來越好。這是因?yàn)槁菟ㄖ睆皆龃?，螺栓孔也相?yīng)增大，而螺栓數(shù)量不變，相鄰兩螺栓之間的周向距離減小，而且直徑越大的螺栓能產(chǎn)生更大的有效夾緊區(qū)域，所以螺栓直徑增大有利于密封性能的提高。但是直徑越大的螺栓不僅會(huì)帶來更大的重量，而且還需要更大的預(yù)緊力矩，可能會(huì)使安裝邊螺栓孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加螺栓孔邊緣被破壞導(dǎo)致構(gòu)件失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此盡量避免選用規(guī)格過大的螺栓。

3.4 預(yù)緊力矩變化對(duì)接觸應(yīng)力影響

以基礎(chǔ)模型為研究對(duì)象，分析預(yù)緊力矩M對(duì)結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。分別取預(yù)緊力矩大小為10 N·m、13 N·m、16 N·m、19 N·m、22 N·m 。預(yù)緊力矩變化時(shí)，其他參數(shù)保持不變，安裝邊厚度為4 mm，螺栓數(shù)量為90個(gè)，螺栓直徑為M8。計(jì)算各預(yù)緊力矩模型周向路徑的接觸應(yīng)力結(jié)果如圖22所示。

圖22 不同預(yù)緊力矩接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.22 Calculation results of contact stress with different pre-tightening torque

由圖22可知，隨著預(yù)緊力矩的增大，安裝邊結(jié)合面零接觸應(yīng)力的周向長(zhǎng)度越來越小，密封性能越來越好。這是因?yàn)樵诼菟〝?shù)量與螺栓直徑不變的情況下，相鄰兩螺栓之間的周向距離不變，螺栓孔之間接觸區(qū)域范圍不變，但是預(yù)緊力矩越大，接觸區(qū)域越緊密貼合，間接增加了有效夾緊范圍。由上可知，在規(guī)定的預(yù)緊力矩范圍內(nèi)，可以通過增加預(yù)緊力矩的方式來有限地提高密封性能。但是預(yù)緊力矩過大，會(huì)導(dǎo)致螺栓在工作狀態(tài)下發(fā)生屈服、疲勞，甚至是壓潰。因此要合理設(shè)置預(yù)緊力矩。

4 結(jié)論

通過分析可以得到如下結(jié)論。

（1） 采用MXene柔性壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣安裝邊結(jié)合面接觸應(yīng)力分布的準(zhǔn)確測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果趨勢(shì)吻合良好，各測(cè)量點(diǎn)誤差均在7%以內(nèi)。

（2）分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)緊力矩對(duì)結(jié)合面接觸應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，增大安裝邊厚度、增加螺栓數(shù)量、增大螺栓直徑及增大預(yù)緊力矩，都可以減小安裝邊結(jié)合面零接觸應(yīng)力的周向長(zhǎng)度，提高密封性能。

（3）本文接觸應(yīng)力測(cè)量方法具有普遍的適用性，對(duì)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)匣安裝邊接觸應(yīng)力的測(cè)量具有一定的指導(dǎo)意義，結(jié)構(gòu)參數(shù)與預(yù)緊力矩對(duì)接觸應(yīng)力的影響規(guī)律分析可以為安裝邊密封設(shè)計(jì)提供參考。