[发明专利]一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法

说明书

本发明公开了一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，基于获取的螺栓连接结构接触表面三维粗糙形貌构建单螺栓连接试件有限元模型；采用ANSYS软件对单螺栓连接试件进行静强度分析，绘制其受载情况下的形变曲线；制作单螺栓连接轴向试件和切向试件，用于分析轴向外载荷及切向外载荷对螺栓连接结构松弛特性的影响规律；搭建实验平台，通过循环载荷控制软件对装夹在疲劳试验机上的单螺栓试件施加一定频率的循环载荷；间隔相同时间，应用LMS振动系统对单螺栓连接试件进行模态试验；提取压力传感器输出的夹紧力号和模态试验中的刚度信号，并将其拟合曲线进行对比。本发明为关键精密复杂部件连接螺栓松弛的判定和再次紧固提供技术支持。

技术领域

本发明涉及一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，属于螺纹紧固件设计及航空航天、轨道交通、装备制造等行业关键精密复杂部件智能装配技术领域。

背景技术

螺栓紧固件因具有通用性强、装拆方便及动载荷作用下稳定性高等优点而被广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶、装备制造及桥梁、建筑等机械/土木工程领域。与铆接、焊接和粘接相比，其连接结构在振动、交变载荷、冲击或高温环境中常伴随自松弛现象，导致关键精密复杂部件或装备制造整机装配质量和加工精度下降，高速设备损坏、解体，危及人身及财产安全。

GB/T 16823.3-2010标准以Kellermann和Klein公式为基础建立了式(1)所示的紧固力矩-预紧力函数关系式。分析表明：在螺栓型号和被连接件材料、孔径确定的情况下，螺栓连接结构的装配质量和服役时间与螺栓连接结构螺母或螺栓承压面摩擦系数、螺纹旋合面摩擦系数及螺栓预紧力等参数直接相关。目前，扭矩法和扭矩-转角法是工程领域螺栓连接结构装配中常用的紧固方法，具体实施过程是采用扭力扳手对螺栓帽或螺母施加紧固力矩，进而获得螺栓连接结构目标预紧力。然而，上述方法往往受接触表面粗糙形貌、螺栓组件是否润滑或涂胶、紧固过程速度快慢等外界因素影响，使得螺栓连接结构承压面和螺纹旋合面摩擦系数发生改变；此外，通过单螺栓紧固试验发现上述方法存在30％-40％的误差。因此，在不改变螺栓连接原始结构的基础上无法准确控制并获取螺栓预紧力及其变化规律，采用螺栓预紧力衰减状况表征螺栓连接结构松弛特性无法掌握，从而带来安全隐患。

式中，F为预紧力，P是螺距，d₂是螺纹中径，D₀是支承面外径，d_h是孔径，μ_th是螺纹摩擦系数，μ_b是螺母或螺栓支承面摩擦系数。

由于螺栓连接结构松弛特性是其服役期间的一种固有属性，只能尽量减小不能完全消除，因此针对这一问题，国内外学者和工程师主要从螺栓连接结构松弛机理和防松措施两方面展开试验和理论研究，提高螺栓连接结构可靠性。其中，螺栓连接结构松弛机理多以连接螺栓夹紧力(如文件CN 103630282 A)为表征参数描述其松弛特性，改变了螺栓连接原始结构，获得的松弛特性曲线不具有普遍适用性。此外，现有国内外连接螺栓防松方法均存在不足，如摩擦防松(设置弹簧垫圈、双螺母、锁紧垫圈、扣紧螺母、尼龙嵌件和化学涂胶等)在重载、剧烈振动或恶劣环境条件下可靠性不稳定；机械防松(开槽螺母、开口销、止动垫圈和钢丝串接等)受到连接结构限制，使得重复使用性差；结构防松(偏心螺母防松、唐氏防松和弹压式防松等)由于制造工艺复杂、成本较高而未能在工程领域广泛应用。上述防松方法多与预紧力相关，当增大紧固力矩时可能导致主体出现断裂、损坏现象的概率升高，且防松方法的实施增加了工作量，不能从根本上解决螺栓连接结构松弛问题。

综上所述，在对螺栓连接结构松弛特性表征方法进行深入研究的基础上，发明了一种用刚度衰减表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法。

发明内容

本发明采用的技术方案是：一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，在计及真实粗糙表面形貌的单螺栓连接试件进行有限元分析的基础上，完成单螺栓连接轴向试件和切向试件的制作；应用搭建的实验平台和LMS振动系统，实现夹紧力与刚度信号的采集与拟合。

该实验方法包括：