３.试验方案
考虑到在试验机上进行竖直方向加载时上升的空气热量会使试验机夹头受热膨胀，影响试验，因此加载方向改为水平方向，但此时需要考虑平衡试验件及夹具的自重。同时，试验中要尽量减少热量传递到加载装置上，以免其受热膨胀，干扰试验结果。因此，需要通过水冷拉板连接试验件与加载装置。综合考虑以上因素，设计的试验方案如图５所示。通过旋转螺纹杆伸出端上的螺母对试验件施加水平方向（即螺纹杆轴向）的预拉伸载荷，加到一定数值后停止旋转，利用螺母的自锁作用固定两端位置。石英灯加热器按照温度曲线加热螺栓连接区域，竖直安装的螺纹杆上连接的支撑杆及托板是出于平衡自重的考虑。当螺栓预紧力下降，静摩擦力不足以平衡转动力矩时，两板相对中央螺栓出现转动，试验装置水平方向变形减小，使得拉伸载荷降低，拉伸载荷的变化由力传感器测量并记录。
由于试验件面积较小，且只对螺栓连接区域进行考核，因此试验只需控制该区域的温度。将试验件正面、背面各划分为１个温区，螺栓头部所在表面为Ⅰ号温区，螺母所在表面为Ⅱ号温区。控温点、测温点具体位置如图６、图７所示。为保证加热过程中 Ｃ／ＳｉＣ 板与螺栓温度差异不要过大，控温点 Ｋ１、Ｋ２分别对称位于试验件正反面的螺栓附近。在每个温区与控温点对称的位置各布置一个测温点，即图７中的Ｃ２和Ｃ５，以反映螺栓附近温度的均匀性。距离螺栓稍远的位置各布置两个测温点，反映远端温度高低，Ⅰ号温区为 Ｃ１、Ｃ３，Ⅱ号温区为 Ｃ４、Ｃ６。为直接得到螺栓温度，测温点 Ｃ７通过焊接固定在螺栓伸出端的底部。拉伸载 荷 为 ５００Ｎ，２００ｓ 将 试 验 件 加 热 至 最 高 温 度１０００℃，保温１１００ｓ，然后自然冷却，继续采集数据至温度下降为２００℃。
４.试验结果
试验现场如图８所示。预先计划的保温时间为１１００ｓ，因为试验开始后，拉伸载荷随温度升高迅速降低到较低水平，保温段传 感 器 读 数 没 有 明显 变化，没有必要继续加热，因此提前停止加热，保温时间不到１１００ｓ。冷却过程中，数据未明显恢复，载荷变化如图９所示。试验结束后，发现两块 Ｃ／ＳｉＣ板在试验前相互平齐的上表面发生了轻微的相对转动（如图１０所示）。这说明，螺栓预紧力在高温环境下由于热失配出现了显著下降。
５.试验方案改进设计
上述试验方案在一定程度上已足以得到试验结论，但是通过分析试验现象可知，该试验方案还存在问题。由于拉伸载荷在螺纹杆上产生的拉伸变形相对试验件的膨胀变形不够大，导致拉伸变形容易被试验件的膨胀变形抵消，即使在低温段试验件未出现相对转动，也会使得测量到的拉伸载荷下降过快，不能正确反映螺栓预紧力的高温变化。
通常，在热力联合试验中，要求试验夹具要有足够大的刚度。而在本项试验中，正是由于螺纹杆刚度较大，产生的拉伸变形较小，使得拉伸载荷明显受到试验件的膨胀变形干扰。试验件的热膨胀变形在拉伸状态下无法避免，但是可以通过采用低刚度、大变形的夹具增大试验装置上的拉伸变形，从而降低试验件的膨胀变形 对试 验 结 果 的影 响。改进后 的 试 验 方 案 如 图 １１ 所 示，改 进 的 地 方 主要有：
（１）将螺纹杆替换为大变形的弹簧（或橡皮绳等）来施加和维持拉伸载荷。试验件的膨胀变形在几毫米左右（以当前材料 参 数、尺 寸，温 度 变 化为１０００℃），选用合适劲度系数的弹簧，加至最大载荷时弹簧伸长量可达到数百毫米量级（考虑到试验件转动前后伸长量有限，为便于观察到拉伸载荷的显著变化，弹簧变形也不能过大），可以有效地降低试验件的膨胀变形对拉伸载荷的影响。同时，大变形的弹簧提供了试验件大幅度转动的空间，当螺栓预紧力下降到不足以平衡转动力矩时，试验件会在拉伸载荷作用下发生转动，直至中央螺栓安装孔与两端螺栓安装孔位于同一直线上。试验过程中，拉伸载荷变化更便于观察，并且转动到３个螺栓孔同一直线的位置后，弹簧仍能保持较好的拉紧状态，传感器采集到的载荷始终为拉力。此外，在冷却过程中，试验件的收缩变形也不会对拉伸载荷产生明显影响，试验结果更便于分析。
（２）水平加载改为竖直加载。受试验件自重影响，原试验方案中力传感器的测量结果会受到试验件自重影响，而竖直加载时可通过合理布置传感器位置消除试验件自重对拉伸载荷的影响。同时，由于在改进方案中使用了大变形的弹簧进行加载，使得夹具温度升高产生的热膨胀对于试验结果影响不大。
６.结 论
针对高温合金螺栓与陶瓷基复材连接由于热失配导致螺栓预紧力高温时下降的问题，研究了通过地面试验来测试螺栓预紧力高温变化的试验方法，开展了验证试验，得到了以下结论：
（1）对于高温合金螺栓与陶瓷基复材连接结构，高温环境下的热失配会导致螺栓预紧力大幅下降，影响连接可靠性与结构承载性能。
（2）对偏心设计的试验件进行偏心拉伸试验，可通过分析拉伸载荷的变化，得到螺栓预紧力高温变化趋势。
（3）采用常规大刚度夹具加载时，试验件横向膨胀会对试验结果产生明显影响；采用低刚度、大变形的弹簧进行加载，可以有效消除试验件膨胀变形对于试验结果的干扰。 |
