發(fā)布時間：2020-07-02 06:04

【摘要】：螺栓結構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,螺栓連接結構受到?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。隨著螺栓連接結構服役時間增長,預緊力降低到一定程度時,結構會出現(xiàn)泄漏、異響、晃動等現(xiàn)象,極端情況下還會造成結構解體等災難性后果,因此,研究螺栓連接結構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構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構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。本文的研究內容主要包含以下幾個方面:1.針對螺紋螺旋結構,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構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)點坐標結合比例縮放及陣列的方式實現(xiàn)螺栓結構參數(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構精細有限元模型,考慮螺栓裝配過程的同時,分析結構在橫向簡諧振動下的松動機理,并對比不同預緊方式對結構松動過程的影響。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構松動過程的試驗研究,對精細有限元模型的數(shù)值仿真結果進行了驗證。在試驗中,監(jiān)測了松動過程中螺母的轉動角度,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;結合試驗機可調參數(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構松動過程的影響。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動為前提,設法增大螺母轉動過程中的阻力扭矩,片面增大螺母初始轉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構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,結構中存在軸向和彎曲耦合振動的現(xiàn)象,且結構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，而這些結構中少有獨立生產(chǎn)的整體，往往是由各零組構裝配而成｜２邋３］，其中螺栓連接結構因其可靠性高、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飛機僅尾部結構就包含５件，根據(jù)零件結構和受力情況，分別使用抗疲勞螺栓、抗拉螺栓、１２點頭］。由于大規(guī)模使用，螺栓結構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構如圖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＾栓連接結構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構如圖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，螺栓連接結構即處于摩擦自鎖狀態(tài)。逡逑？－螺栓逡逑＾螺母逡逑圖１．１典型螺栓連接結構示意圖

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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