[发明专利]一种测试螺栓结合面接触阻尼特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试螺栓结合面接触阻尼特性的方法，属于机械制造及机械动力学领域。

背景技术

机床乃至各类机械，为满足功能、性能和加工的要求以及运输上的方便，一般都不是一个连续的整体，而是由各种零件按照一定的具体要求组合起来的。称零件、组件、部件之间相互接触的表面为“机械结合面”，简称“结合面”，或“接触面”。结合面在机械结构中的大量存在，从而使机械结构或系统不再具有连续性，进而导致了问题的复杂性。结合面存在着接触刚度和接触阻尼。从机械动力学的角度分析结合面问题，它与机械结构的振动及动态特性存在着密切的联系。有两个方面的原因：一方面，结合面刚度是机械结构整体刚度的重要组成部分，有时成为整体刚度的薄弱环节；另一方面，就是对于像动力机械、机床等由刚性零件组成的机构或机器，其总阻尼值的90%以上来源于结合面阻尼，和机器零件本身的阻尼相比，结合面阻尼占有绝对优势。因此，结合面动态特性的研究特别是结合面的接触阻尼的研究无论是从理论还是从实际应用上都具有十分重要的意义。

螺栓联接的结合面是机械结构中最典型的结合面之一。螺栓联接具有联接可靠、联接强度高、可拆卸、能自锁等优点。在一般的螺栓结合面中，对螺栓预紧情况不同，结合面接触阻尼亦会不同，即螺栓预紧和螺栓结合面接触阻尼有直接的关系。螺栓预紧情况容易获得，但对于结合面阻尼来说，情况要复杂得多，至今也没有一个简明准确的计算方法。因此，有必要对螺栓结合面接触阻尼进行深入的研究。

各国学者也因此对螺栓结合面阻尼特性的研究给予了很大的关注和重视，并进行了大量的研究工作。螺栓结合面在承受周期载荷时，连接的结合面部位存在微观滑移和宏观滑移两种形式的运动。在合理的载荷范围内宏观滑移很少发生，但是微观滑移却是时刻存在的。研究表明，对结合面反复加载和卸载，其“载荷－位移”曲线会成为一个迟滞回线，此回线所围的面积表示一个循环中单位体积的材料以热能形式耗散掉的能量，从而产生阻尼作用，这种接触阻尼又称为滞后阻尼。因此可通过研究载荷与能量损失的关系来识别结合面参数。但是要研究结合面阻尼的作用机理要困难很多，因为结合面本身的阻尼与它所处的结构系统中的其他结构阻尼往往处于同一个数量级。正是因为如此，向结合面阻尼研究的测量设备和测试技术提出了更高的要求。

影响螺栓结合面接触阻尼特性的现实因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：

（1）结合面的阻尼特性与结合面的承力状况有关，结合面实际承受的动态力可能是法向力、切向力、弯矩、扭矩或它们的组合。阻尼和这些力的特性有关，也和结合面的法向压力。如果激励的大小和方向还要变化，那么，结合面出现十分复杂的受力状况，使结合面动态特性的分析带来困难。

（2）在阻尼机理尚未彻底探明的情况下，结合面阻尼可以用能量耗损的观点加以分析、测定和计算。但是结合面的阻尼特性的相关因素很多，例如结合面的表面几何形貌及物理状况；结合面之间的受力状况；结合面之间存在的介质状况；结合面在受力后的运动及变形状况等等。这些因素在研究、分析及实验时又不易加以控制，造成理论计算及实际测定时的误差，甚至影响到规律的探求。

（3）结合面动态特性的测定必须作为机械测量系统的一部分通过对系统的测定间接地得到。为了测量结合面阻尼就必须同时测定与结合面阻尼密切相关的材料阻尼、系统其他部分的结构阻尼，然后加以鉴别及分离。然而测量、鉴别、分离结合面阻尼是十分困难的。

尽管结合面基础特性研究这方面的研究论文很多，但是真正给出结合面动态基础特性参数数据的却很少，有些结果或结论还没有得到证实，所以有待做进一步的实验研究；找到一种比较理想的结合面接触阻尼特性参数识别的方法，是在设计阶段进一步提高整机性能预测水平的先决条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种精度较高且完整的测试螺栓结合面接触阻尼特性的实验方法，通过材料试验机对实验试件施加周期动态载荷，使用力传感器和直线位移传感器分别获得材料试验机的周期载荷信号和实验试件结合面处的纵向直线位移信号，并利用数据采集系统将数据发送至计算机，得到螺栓结合面“载荷－位移”关系，从而全面掌握螺栓结合面接触阻尼特性参数。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。