[发明专利]一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法

摘要

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。

主权项

1.一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，其特征在于：步骤1：单螺栓连接试件有限元模型构建；采用三维表面形貌仪对螺栓连接结构中的接触表面进行测量，获取三维粗糙表面形貌，在建立计及真实粗糙表面形貌有限元接触模型的基础上，构建单螺栓连接轴向试件和切向试件有限元模型；步骤2：绘制单螺栓连接试件的载荷‑形变曲线；采用ANSYS软件对单螺栓连接结构施加预紧力，分析有限元模型中接触表面的应力分布状态，构建基于分形理论的接触表面法向刚度Kn的数学模型：式中，E是零件材料弹性模量，是域拓展因子，a₁'是单个微凸体的最大横截面积，a'_c是弹性向塑性过渡的临界横截面积，D是分形维数；根据螺栓连接结构被连接件刚度Kp的数学模型，结合螺栓本身刚度计算并绘制预紧状态下单螺栓连接轴向试件和切向试件的载荷‑形变曲线；式中，dh是螺栓孔直径，dw是垫片支承面直径，dm是被连接件的外部直径，L是被连接件的总厚度，θ是半顶角，其表达式为式中，a1，a2，a3，a4，a5为实验系数，a1，a2，a3，a4，a5根据实验数据应用线性回归算法确定，C/d是相对间隙，L/d是相对总厚度，R是被连接件的厚度比；步骤3：制作单螺栓连接轴向试件和切向试件；为了分析轴向循环载荷与切向循环载荷对螺栓连接结构松弛特性的影响，制作单螺栓连接轴向试件与切向试件；轴向试件由第一轴向试件上连接件(1)、第一轴向试件下连接件(2)组成，切向试件由第二轴向试件上连接件(3)、第二轴向试件下连接件(4)组成；第一轴向试件上连接件(1)和第一轴向试件下连接件(2)之间，以及第二轴向试件上连接件(3)和第二轴向试件下连接件(4)之间均采用螺栓(5)和螺母(6)连接；步骤4：实验平台的搭建及循环载荷试验；实验平台包括疲劳试验机(7)、单螺栓连接试件、压力传感器(12)、数据采集系统(13)、数据分析系统(14)及循环载荷控制软件；压力传感器(12)被安装在螺栓与被连接件接触表面之间；组装好的单螺栓连接试件夹持在疲劳试验机(7)的上下夹具上；计算机(15)中装有Wave Matrix软件，采用Wave Matrix软件对单螺栓轴向试件和切向试件施加相同条件的循环载荷；应用压力传感器(12)和数据采集系统(13)实时监测单螺栓连接试件的夹紧力，并采用数据分析系统(14)对夹紧力数据进行滤波；步骤5：基于LMS振动系统的模态试验；对单螺栓连接轴向试件和切向试件分别进行相同条件下的8组循环载荷试验；当试验时间为30min、60min，…，240min时，采用LMS振动系统对取下的试件进行模态试验；其中，LMS振动系统由计算机(15)、采集仪(16)、力锤(17)和加速度传感器(18)组成，力锤(17)和加速度传感器(18)与采集仪(16)连接，采集仪(16)与计算机(15)连接；步骤6：夹紧力信号和刚度信号的提取与拟合；将滤波后得到的夹紧力数据进行拟合，绘制单螺栓连接试件夹紧力变化曲线；基于如下频响函数模型，提取单螺栓连接轴向试件和切向试件的刚度信号：式中，上标1、2表示螺栓连接结构子系统，下标a、c表示除螺栓连接试件接触表面以外的区域，是子结构1非接触表面区域的位移，是子结构2非接触表面区域的位移，和分别是子结构1和子结构2在同点激励下同点响应的频响函数，是子结构1中p点激励a点响应的频响函数，是子结构1中a点激励p点响应的频响函数，是子结构2中c点激励q点响应的频响函数，是子结构2中q点激励c点响应的频响函数，是作用在子结构1非接触表面区域的外力，是作用在子结构2非接触表面区域的外力，α′是与频响函数相关的系数，即H_i是与刚度和阻尼相关的接触表面频响函数，即H_i＝(k_i+iωc_i)^‑1，和分别是子结构1和子结构2接触表面处同点激励同点响应的频响函数；将获取的刚度值进行拟合，并与夹紧力变化曲线进行比较，验证采用刚度变化表征螺栓连接结构松弛特性的准确性。