螺栓松动的失效机理以及对整体结构力学行为的影响研究

发布时间：2020-07-02 06:04

【摘要】：螺栓结构是广泛应用于航空航天、化工机械等工业设备中的标准化零部件之一,其主要作用是将各部件可靠的连接到一起,在压力容器设备中还会与密封垫圈结合使用以提高密封效果,因此螺栓连接通常都需要施加预紧力。但在复杂的工作环境下,螺栓连接结构受到冲击、振动、热应力循环等载荷作用时,其预紧力会出现逐渐下降的现象,即螺栓松动。随着螺栓连接结构服役时间增长,预紧力降低到一定程度时,结构会出现泄漏、异响、晃动等现象,极端情况下还会造成结构解体等灾难性后果,因此,研究螺栓连接结构松动的失效机理具有重要的科学意义。本文采用数值仿真、原理性试验等方法,系统地研究了螺栓连接结构在横向振动下的松动机理,并对主要防松措施的力学机制进行分析,为新型防松螺栓的设计提供参考,最后探讨了螺栓松动对整体连接结构轴向静动力特性的影响,提出监测局部螺栓松动现象的方法。本文的研究内容主要包含以下几个方面:1.针对螺纹螺旋结构,建立全六面体的精细有限元模型,并利用数值仿真技术开展对螺栓连接结构预紧力形成机理的研究。具体建模过程中,根据螺纹面的数学表达式,采用修改节点坐标结合比例缩放及阵列的方式实现螺栓结构参数化建模,并在Abaqus中完成建模插件二次开发;模拟螺栓实际装配过程,通过扭拉关系与解析结果对比验证了模型的准确性;讨论实际装配过程与降温法、渗透法以及预紧单元法等简化建模方法之间的区别。2.基于已生成的螺栓连接结构精细有限元模型,考虑螺栓装配过程的同时,分析结构在横向简谐振动下的松动机理,并对比不同预紧方式对结构松动过程的影响。在研究中,分别从摩擦变化角度以及节点转动角度描述接触面的状态变化,阐释了松动过程中接触面上“黏着—部分滑移—完全滑移”的交替变化机制以及“蠕滑”松脱形式,并利用此精细有限元模型分析了摩擦因数、振动频率、振动幅值等因素对螺栓松动的影响规律。3.利用横向振动试验机开展螺栓连接结构松动过程的试验研究,对精细有限元模型的数值仿真结果进行了验证。在试验中,监测了松动过程中螺母的转动角度,采用精细有限元模型模拟了螺栓松动的全过程,对比预紧力变化验证了仿真模型的准确性;对不同类型防松螺母进行性能测试,发现Hard-lock螺母和施必牢螺纹防松效果明显优于其他类型螺母,且发现防松螺母可能存在的根部疲劳断裂失效形式;结合试验机可调参数,分析了装配次数、振动幅值、初始预紧力等因素对螺栓连接结构松动过程的影响。4.采用第二章的建模方法,建立Hard-Lock螺母精细模型,模拟了其预紧及松动过程,揭示了其中的防松设计机理。发现凹螺母在偏心连接下呈现杠杆锁紧现象,螺纹处摩擦扭矩远大于螺母间摩擦扭矩,因此凹螺母很难因振动而松脱。但螺母间接触面摩擦系数增大到一定程度时,会造成凹螺母随凸螺母一起松动,使Hard-Lock螺母不再具备防松效果。后续防松设计中应以螺母转动为前提,设法增大螺母转动过程中的阻力扭矩,片面增大螺母初始转动条件并不能起到绝对防松效果。另外,以施必牢螺纹为例,结合理论与数值分析,阐明螺纹牙型及塑性变形对承载分布均匀性的影响。5.通过数值模拟和试验方法开展了螺栓松动对螺栓法兰连接结构轴向静动力特性影响的研究,并提出通过响应幅值比监测局部螺栓松动的方法。通过仿真分析发现静力作用下螺栓预紧力变化仅影响连接面初始拉刚度,局部螺栓预紧力发生变化时,连接面在轴向载荷作用下存在轴向和弯曲的耦合响应现象,在动力学上则表现为受轴向冲击时,结构中存在轴向和弯曲耦合振动的现象,且结构频谱图中的幅值比与螺栓预紧力差值之间呈线性关系,可用于监测局部螺栓松动现象,进而通过试验研究,验证了上述结论的准确性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH131.3
【图文】：

示意图,螺栓连接结构,示意图

趋于复杂和庞大，而这些结构中少有独立生产的整体，往往是由各零组构装配而成｜２邋３］，其中螺栓连接结构因其可靠性高、成本低、拆卸方便等连接形式中应用最广泛的一种，据统计，波音７３７飞机仅尾部结构就包含５件，根据零件结构和受力情况，分别使用抗疲劳螺栓、抗拉螺栓、１２点头］。由于大规模使用，螺栓结构己成为最标准化的零部件之一，在ＩＳＯ和ＪＩ用标准中已经提供了螺栓、螺母以及垫片等按其尺寸（公称直径、长度、头强度等级分类的零件目录表１５’６］。逡逑型的螺栓连接结构如图１．１所示，主要包含螺栓、螺母和被连接件三部分，应用环境，也存在单螺栓连接、Ｕ型螺栓连接等形式上的变种，但原理上是是利用螺纹处的斜面原理，以螺母拧紧为例，预紧过程相当于推动螺母支承面与连接件接触后产生轴向预紧力研，受力分析如图１．２所示，继续克服预紧力分量（Ｗｓｉｎｆ）以及螺纹面和支承面的摩擦力（ａＷｃｏｓＰ＋ａＷｃｏ，预紧力分量沿斜面向下使得摩擦力反向，如图１．２中虚线所示，此时预ｓｉｎｆ邋）只需小于摩擦力（／＾ｃｏｓ／Ｊ＋ｚ＾ｃｏｓ／？），即螺旋升角满足々ｏｒｃｔａｎ＾栓连接结构即处于摩擦自锁状态。逡逑

原理图,螺纹面,斜面,原理

的通用标准中已经提供了螺栓、螺母以及垫片等按其尺寸（公称直径、长度、头部形状逡逑等）和强度等级分类的零件目录表１５’６］。逡逑典型的螺栓连接结构如图１．１所示，主要包含螺栓、螺母和被连接件三部分，为满逡逑足不同应用环境，也存在单螺栓连接、Ｕ型螺栓连接等形式上的变种，但原理上基本一逡逑致，均是是利用螺纹处的斜面原理，以螺母拧紧为例，预紧过程相当于推动螺母沿斜面逡逑上升，支承面与连接件接触后产生轴向预紧力研，受力分析如图１．２所示，继续预紧推逡逑动力需克服预紧力分量（Ｗｓｉｎｆ）以及螺纹面和支承面的摩擦力（ａＷｃｏｓＰ＋ａＷｃｏｓ／？），逡逑预紧后，预紧力分量沿斜面向下使得摩擦力反向，如图１．２中虚线所示，此时预紧力分逡逑量（Ｆｓｉｎｆ邋）只需小于摩擦力（／＾ｃｏｓ／Ｊ＋ｚ＾ｃｏｓ／？），即螺旋升角满足々ｏｒｃｔａｎ＾邋＋邋Ａ）逡逑时，螺栓连接结构即处于摩擦自锁状态。逡逑？－螺栓逡逑＾螺母逡逑图１．１典型螺栓连接结构示意图

【参考文献】