[发明专利]一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法

说明书

本发明公开了一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法，其特征在于具有如下步骤：测试螺栓连接结构、各被连接件及材料参数，建立全局圆柱坐标系(r,θ,z)和局部圆柱坐标系(r,θ，z_j)；将被连接件划分为一系列薄层结构；建立状态方程，并进行螺栓孔边界特征处理，选取u^(j)、w^(j)、为状态变量；表达每一薄层输入‑输出变量映射关系，将薄层力学特征传递规律线性化；对螺栓连接结构中的所有薄层，逐次进行输入‑输出映射变换；比较理论分析数据与试验数据，确定适应相应结构计算的最优薄层数。本发明可以快速、准确的得到面压分布的理论和检测结果，根据理论和试验结果可以得到最优的薄层层数。

技术领域

本发明涉及一种快速、准确获取螺栓连接结合面应力分布方法，更具体地说，本发明提供了一种通过将螺栓连接结构分层，并结合层间应力/位移传递与边界关系计算螺栓连接结合面应力的方法。

背景技术

螺栓连接结构是机械装配最主要的连接形式，航空航天、汽车、重大装备、新能源、数控机床等行业普遍应用螺栓进行机械产品连接。螺栓连接结构中多个被连接零部件之间的相互接触面为“结合面”，螺栓连接结合面应力分布对机械系统静力学、动力学及热力学特性都具有显著影响，获取结合部应力分布状态是准确分析机械系统特性的基础。

获取螺栓连接结合面应力信息对于研究螺栓连接结构装配体性能很有意义。实际装配过程中，通常不允许在结合面中置入传感器；而与单一构件相比，机械结构的不连续性导致难以基于传统弹性力学理论计算结合面应力，结合面应力/位移分布状态相当于单一构件的边界条件，因缺乏成熟的边界未知条件下的应力/位移分布函数，传统弹性力学体系中难以准确求解机械装配体应力/位移场。

相关专利公开了装配结合面应力分布测试方法，主要包括：

1)专利CN201983892U公开了一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，包括安装在螺栓头部、用于测量螺栓预紧力的垫片式压力传感器，用于测量结合面应力分布的压力薄膜传感器，用于显示垫片式压力传感器、压力薄膜传感器波形的示波器，用于采集垫片式压力传感器、压力薄膜传感器信号的计算机等。

2)US 6,829,944 B1公开了一种紧固件拉力测量系统，其通过测量紧固件头部变形，根据该变形量与紧固力的函数关系测定紧固力，紧固件头部变形测量可采用光学测量、电容式传感器、光学图像、气动测量及压缩电阻式测量方式。

3)201410629432.9公开了《一种间接测量装配结合面应力分布的系统及方法》。首先，建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系，通过将压力测量胶片放入部件Ⅰ与部件Ⅱ的结合面之间一段时间后取出，扫描仪将压力测量胶片的颜色分布情况扫描成图像输入到计算机，计算机绘制出结合面应力等值线图，应力等值线在邻侧面上的延伸线上粘贴应变片；然后，通过测量应变片的应力即可确定结合面的应力分布。

4)Sayed A.Nassar,Aidong Meng等提出了应用散斑干涉技术，通过监测被连接件位移监测螺栓紧固力的方法。

以上装配结合面应力分布测试主要可以分为直接测量和间接测量两种类型，实际装配过程中结合面通常不允许置入传感器，而上述间接测量可以获取部分结合面应力分布信息，但难以获取整个螺栓连接结合面应力分布。另外，结合面应力分析技术和应力测试技术属于获取结合面应力特征的两种不同的途径，通过计算的方式获取结合面特征，对于分析、控制结合面应力分布，进一步控制机械系统性能具有重要意义。

有限元法是计算螺栓连接结合面应力场的主要方法，现有基于有限元的结合面应力计算方法主要有：