【摘要】：螺栓結(jié)構(gòu)是廣泛應用于航空航天、化工機械等工業(yè)設備中的標準化零部件之一,其主要作用是將各部件可靠的連接到一起,在壓力容器設備中還會與密封墊圈結(jié)合使用以提高密封效果,因此螺栓連接通常都需要施加預緊力。但在復雜的工作環(huán)境下,螺栓連接結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊、振動、熱應力循環(huán)等載荷作用時,其預緊力會出現(xiàn)逐漸下降的現(xiàn)象,即螺栓松動。隨著螺栓連接結(jié)構(gòu)服役時間增長,預緊力降低到一定程度時,結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)泄漏、異響、晃動等現(xiàn)象,極端情況下還會造成結(jié)構(gòu)解體等災難性后果,因此,研究螺栓連接結(jié)構(gòu)松動的失效機理具有重要的科學意義。本文采用數(shù)值仿真、原理性試驗等方法,系統(tǒng)地研究了螺栓連接結(jié)構(gòu)在橫向振動下的松動機理,并對主要防松措施的力學機制進行分析,為新型防松螺栓的設計提供參考,最后探討了螺栓松動對整體連接結(jié)構(gòu)軸向靜動力特性的影響,提出監(jiān)測局部螺栓松動現(xiàn)象的方法。本文的研究內(nèi)容主要包含以下幾個方面:1.針對螺紋螺旋結(jié)構(gòu),建立全六面體的精細有限元模型,并利用數(shù)值仿真技術開展對螺栓連接結(jié)構(gòu)預緊力形成機理的研究。具體建模過程中,根據(jù)螺紋面的數(shù)學表達式,采用修改節(jié)點坐標結(jié)合比例縮放及陣列的方式實現(xiàn)螺栓結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模,并在Abaqus中完成建模插件二次開發(fā);模擬螺栓實際裝配過程,通過扭拉關系與解析結(jié)果對比驗證了模型的準確性;討論實際裝配過程與降溫法、滲透法以及預緊單元法等簡化建模方法之間的區(qū)別。2.基于已生成的螺栓連接結(jié)構(gòu)精細有限元模型,考慮螺栓裝配過程的同時,分析結(jié)構(gòu)在橫向簡諧振動下的松動機理,并對比不同預緊方式對結(jié)構(gòu)松動過程的影響。在研究中,分別從摩擦變化角度以及節(jié)點轉(zhuǎn)動角度描述接觸面的狀態(tài)變化,闡釋了松動過程中接觸面上“黏著—部分滑移—完全滑移”的交替變化機制以及“蠕滑”松脫形式,并利用此精細有限元模型分析了摩擦因數(shù)、振動頻率、振動幅值等因素對螺栓松動的影響規(guī)律。3.利用橫向振動試驗機開展螺栓連接結(jié)構(gòu)松動過程的試驗研究,對精細有限元模型的數(shù)值仿真結(jié)果進行了驗證。在試驗中,監(jiān)測了松動過程中螺母的轉(zhuǎn)動角度,采用精細有限元模型模擬了螺栓松動的全過程,對比預緊力變化驗證了仿真模型的準確性;對不同類型防松螺母進行性能測試,發(fā)現(xiàn)Hard-lock螺母和施必牢螺紋防松效果明顯優(yōu)于其他類型螺母,且發(fā)現(xiàn)防松螺母可能存在的根部疲勞斷裂失效形式;結(jié)合試驗機可調(diào)參數(shù),分析了裝配次數(shù)、振動幅值、初始預緊力等因素對螺栓連接結(jié)構(gòu)松動過程的影響。4.采用第二章的建模方法,建立Hard-Lock螺母精細模型,模擬了其預緊及松動過程,揭示了其中的防松設計機理。發(fā)現(xiàn)凹螺母在偏心連接下呈現(xiàn)杠桿鎖緊現(xiàn)象,螺紋處摩擦扭矩遠大于螺母間摩擦扭矩,因此凹螺母很難因振動而松脫。但螺母間接觸面摩擦系數(shù)增大到一定程度時,會造成凹螺母隨凸螺母一起松動,使Hard-Lock螺母不再具備防松效果。后續(xù)防松設計中應以螺母轉(zhuǎn)動為前提,設法增大螺母轉(zhuǎn)動過程中的阻力扭矩,片面增大螺母初始轉(zhuǎn)動條件并不能起到絕對防松效果。另外,以施必牢螺紋為例,結(jié)合理論與數(shù)值分析,闡明螺紋牙型及塑性變形對承載分布均勻性的影響。5.通過數(shù)值模擬和試驗方法開展了螺栓松動對螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)軸向靜動力特性影響的研究,并提出通過響應幅值比監(jiān)測局部螺栓松動的方法。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)靜力作用下螺栓預緊力變化僅影響連接面初始拉剛度,局部螺栓預緊力發(fā)生變化時,連接面在軸向載荷作用下存在軸向和彎曲的耦合響應現(xiàn)象,在動力學上則表現(xiàn)為受軸向沖擊時,結(jié)構(gòu)中存在軸向和彎曲耦合振動的現(xiàn)象,且結(jié)構(gòu)頻譜圖中的幅值比與螺栓預緊力差值之間呈線性關系,可用于監(jiān)測局部螺栓松動現(xiàn)象,進而通過試驗研究,驗證了上述結(jié)論的準確性。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH131.3
【圖文】：

趨于復雜和龐大，而這些結(jié)構(gòu)中少有獨立生產(chǎn)的整體，往往是由各零組構(gòu)裝配而成｜２邋３］，其中螺栓連接結(jié)構(gòu)因其可靠性高、成本低、拆卸方便等連接形式中應用最廣泛的一種，據(jù)統(tǒng)計，波音７３７飛機僅尾部結(jié)構(gòu)就包含５件，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和受力情況，分別使用抗疲勞螺栓、抗拉螺栓、１２點頭］。由于大規(guī)模使用，螺栓結(jié)構(gòu)己成為最標準化的零部件之一，在ＩＳＯ和ＪＩ用標準中已經(jīng)提供了螺栓、螺母以及墊片等按其尺寸（公稱直徑、長度、頭強度等級分類的零件目錄表１５’６］。逡逑型的螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖１．１所示，主要包含螺栓、螺母和被連接件三部分，應用環(huán)境，也存在單螺栓連接、Ｕ型螺栓連接等形式上的變種，但原理上是是利用螺紋處的斜面原理，以螺母擰緊為例，預緊過程相當于推動螺母支承面與連接件接觸后產(chǎn)生軸向預緊力研，受力分析如圖１．２所示，繼續(xù)克服預緊力分量（Ｗｓｉｎｆ）以及螺紋面和支承面的摩擦力（ａＷｃｏｓＰ＋ａＷｃｏ，預緊力分量沿斜面向下使得摩擦力反向，如圖１．２中虛線所示，此時預ｓｉｎｆ邋）只需小于摩擦力（／＾ｃｏｓ／Ｊ＋ｚ＾ｃｏｓ／？），即螺旋升角滿足々ｏｒｃｔａｎ＾栓連接結(jié)構(gòu)即處于摩擦自鎖狀態(tài)。逡逑

的通用標準中已經(jīng)提供了螺栓、螺母以及墊片等按其尺寸（公稱直徑、長度、頭部形狀逡逑等）和強度等級分類的零件目錄表１５’６］。逡逑典型的螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖１．１所示，主要包含螺栓、螺母和被連接件三部分，為滿逡逑足不同應用環(huán)境，也存在單螺栓連接、Ｕ型螺栓連接等形式上的變種，但原理上基本一逡逑致，均是是利用螺紋處的斜面原理，以螺母擰緊為例，預緊過程相當于推動螺母沿斜面逡逑上升，支承面與連接件接觸后產(chǎn)生軸向預緊力研，受力分析如圖１．２所示，繼續(xù)預緊推逡逑動力需克服預緊力分量（Ｗｓｉｎｆ）以及螺紋面和支承面的摩擦力（ａＷｃｏｓＰ＋ａＷｃｏｓ／？），逡逑預緊后，預緊力分量沿斜面向下使得摩擦力反向，如圖１．２中虛線所示，此時預緊力分逡逑量（Ｆｓｉｎｆ邋）只需小于摩擦力（／＾ｃｏｓ／Ｊ＋ｚ＾ｃｏｓ／？），即螺旋升角滿足々ｏｒｃｔａｎ＾邋＋邋Ａ）逡逑時，螺栓連接結(jié)構(gòu)即處于摩擦自鎖狀態(tài)。逡逑？－螺栓逡逑＾螺母逡逑圖１．１典型螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖

【參考文獻】

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1 于澤通;劉建華;張朝前;周俊波;彭金方;馬利軍;朱e

本文編號：2737834