水下航行体螺栓法兰连接结构可靠性分析

螺栓法兰连接结构中的摩擦、接触、间隙及预紧力等因素,会导致水下航行体结构在复杂载荷环境中出现非线性的动力学响应特性,甚至破坏连接结构.目前,常取指定时段内的各类内力最大值同时施加于连接结构进行可靠性分析,导致结构设计偏于保守.为解决此问题,本文基于随机水动力载荷作用下水下航行体结构内力响应数据,分析螺栓法兰连接结构在端面内力组合作用下的最大Mises应力,由此建立连接结构端面内力组合的极限状态面,利用最大熵方法开展螺栓法兰连接结构可靠性分析.为提高分析效率,根据连接结构端面各类内力在塑性极限状态面附近的线性相关性,提出以端面等效弯矩为指标的工程可靠性分析方法,并通过数值仿真分析对可靠性分析结果精度进行校核.     

弹性波在螺栓搭接结构中传播行为的数值模拟

为了建立有效的基于弹性波的螺栓连接损伤检测方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为至关重要。本文针对典型单螺栓搭接薄梁,采用非线性多物理场耦合有限元仿真方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为。采用ANSYS中压电耦合单元建模MFC压电传感器,非线性接触单元建模螺栓连接结构,将接触面之间考虑为考虑摩擦接触的非线性关系。依次对螺栓施加预紧载荷,对结构施加模拟电压激励,进行非线性瞬态波传播分析。同时,本文对仿真结果进行了实验验证。结果表明,本文建立的有限元模型和分析方法能够有效地模拟弹性波在连接结构中的传播过程,数值预测的响应电压和实验结果吻合较好。针对非线性模型计算耗费大的问题,本文对非线性模型进行了线性化改进。具体为采用准静态接触有限元分析确定对接面有效接触面积的大小,然后将接触面积上对应节点绑定,进行线性瞬态波传播分析。结果表明:本文的线性方法能够有效模拟波传播过程,并能有效降低计算耗费;弹性波在连接梁中传播时,经过连接界面和螺栓位置时,传播路径、波形、幅值都发生了较大的变化。     

螺栓连接结构的爆炸冲击破坏

为了建立真实可信的螺栓连接破坏模型,利用瞬态分析软件LS-DYNA分析了螺栓连接部件在爆 炸冲击下的破坏情况,提出了简化破坏模型的建立方法。建立了M24螺栓连接3维有限元模型,使用部分降 温法进行了螺栓预应力的加载,然后结合弹塑性材料本构模型和面-面接触算法计算了在不同爆炸冲击情况 下有、无预应力螺栓和螺栓-螺母连接的变形破坏情况。根据计算结果总结了冲击波入射角度和预紧力大小 对螺栓连接破坏的影响规律,并建立了螺栓连接结构的简化破坏模型。最后提出了提高螺栓连接抗冲击能力 的一些措施,为设备整体抗冲击计算模型的建立及抗冲击设计提供参考。     

螺栓连接件微动疲劳特性分析

工程中钢结构构件经常采用螺栓连接,被连接部位多处于复杂受力状态,单轴疲劳理论已无法满足该 形式下构件的寿命评估需求．针对现有理论不足,本文建立了螺栓连接件有限元模型,研究了不同工况下被连 接件微动疲劳裂纹萌生位置,并基于临界平面的多轴疲劳理论,比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接 件的疲劳寿命．结果表明：(1) 裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区,在相同螺栓预紧力下,该 位置与施加的疲劳载荷大小无关;(2) 基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置,其中SWT (Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好,大部分预测结果位于± 2倍分散带之内,预测结果优于其他三种模型;(3) 在规范规定的螺栓预紧力范围内,被连接件裂纹萌生区域距 孔边的距离与预紧力大小无关,可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致,并且随着预 紧力减小,被连接件的寿命预测值反而增大     

层合板预紧螺栓搭接孔边应力分析

针对复合材料层合板预紧螺栓单板搭接和双板搭接结构,分别建立了全尺寸三维有限元模型,应用非线性接触算法模拟螺栓连接,采用Prets179预紧力单元施加螺栓预紧力.通过分析两种搭接形式在不同预紧力下的孔边应力分布,得到了预紧力与孔边拉应力以及预紧力与孔边层间应力的关系曲线.分析表明:随着螺栓预紧力增加,层合板孔边拉应力水平不断降低;双板搭接的孔边应力明显低于单板搭接的孔边应力.     

惯性平台轴承预紧力及其刚度的分析计算

本文对惯性平台中框架支承的角接触球轴承的预紧力、刚度和摩擦力矩进行了分析，并结合实际轴承给出了初步的计算。     

大型球轴承摩擦力矩试验台的研制及其实用性能的试验研究

为了研究大型轴承的摩擦性能，研制了一种可以测量外径２００～１５００ｍｍ球轴承的启动力矩、运转平均力矩、最大力矩和力矩变化幅值的大型轴承摩擦力矩试验台．这种试验台可以模拟轴承的启动角加速度、转动速度、预负荷和轴向工作负荷等．在此试验台上，对大型角接触球轴承成对预紧时的摩擦力矩与预紧量之间的关系进行了试验研究，并且根据试验结果，提出了一种适用于轴承外径２００～５００ｍｍ，转动速度低于３０ｒ／ｍｉｎ时计算摩擦力矩的经验公式．     

螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

在螺栓连接结构中,为保证连接的可靠性,必须为螺栓提供合适的预紧力。工程中通常采用扭矩法装配螺栓连接结构,因此需要确定预紧力与扭矩之间的关系(即扭矩系数),以施加合适的装配扭矩。本文对输电塔中常用的M16镀锌螺栓进行预紧力试验研究,测试分析了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响。研究结果表明,高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小,数据离散性也小;无垫圈的螺栓比有垫圈的螺栓扭矩系数小,但数据离散性大;有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小,数据离散性也小。本文同时探讨了如何控制、调整扭矩系数,以及螺栓连接中要注意的问题,为设计和施工单位提供参考。     

轴向交变载荷作用下螺栓联接结构的松动试验研究

在设计、试制螺栓加载装置的基础上,对螺栓联接结构进行了轴向振动的疲劳试验,获取了螺栓夹紧力的时变曲线,并对试验后的螺栓接触表面进行损伤分析,研究螺栓联接结构的松动机理.结果表明:在轴向振动条件下,螺栓联接结构的夹紧力下降较为明显,但拧出力矩相对于预紧力矩变化不大.螺栓的松动过程可分为以下两个阶段:试验初期由于螺栓接触面的塑性变形,夹紧力迅速下降;然后由于接触面之间的微动磨损,夹紧力缓慢下降.螺纹接触面之间的损伤机制主要为黏着磨损、磨粒磨损和剥层.     

考虑转速影响的滚珠丝杠副摩擦系数计算与试验研究

针对目前滚珠丝杠副摩擦系数选取多以轴承经验值为依据的现状,基于滚珠丝杠副的结构特点建立滚珠与滚道的运动学及动力学模型,得到滚珠丝杠副摩擦系数与预紧力及摩擦力矩之间的关系,并推导出滚珠丝杠副摩擦系数计算公式.通过新型设计的预紧力可调机构可实现对双螺母滚珠丝杠副预紧力的任意加载与实时监测.利用该机构,结合摩擦力矩测量系统便可实现对滚珠丝杠副摩擦力矩和预紧力的直接测量,从而计算不同预紧力和转速下的实际摩擦系数.由于测量系统转速限制,试验在转速400 r/min以下的低速条件进行,最终得到摩擦系数随转速与预紧力的变化规律,并给出了滚珠丝杠副低速下摩擦系数的选用范围.通过试验得到合理的滚珠丝杠副摩擦系数取值对今后研究其摩擦特性有着重要的意义.     

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

用贴片光弹法研究螺栓预紧力

贴片光弹法是一种通过精确测量表面应变来获得应力的光测实验方法。为了有效且快速的评价螺栓预紧力,采用贴片光弹的方法,在螺栓头部表面粘贴一片环氧树脂材料,对螺栓施加一定的预紧力时,在反射光弹仪的偏振光场下直接可以观测到螺栓头部贴片中的光弹条纹。随着螺栓预紧力的变化,条纹相应发生改变,从而获得螺栓预紧力与光弹贴片中条纹级数的关系。由于该方法具有灵敏度高、直观、全场、简单等诸多优点,适合现场测量和检测,从而便于推广。     

输电杆塔螺栓连接区域局部结构有限元分析

利用ABAQUS有限元软件建立了500k V同塔双回输电线路塔线耦合体系模型,在不同脱冰率情况下对塔线体系的动力响应进行了数值模拟。分析了杆塔在各脱冰率下的受力情况并结合现场倒塔情况,确定了杆塔危险区域,建立了该危险区域局部结构三维有限元模型。将由塔线体系模型计算得到的危险区域边界的力施加于三维局部模型上,计算了该区域在导线脱冰过程中的应力。模拟研究连接螺栓预紧力不同的情况下危险区域的应力和变形,发现螺栓预紧力减小时杆塔容易破坏,这一结论对输电杆塔的设计和安装具有指导意义。     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

螺栓连接钢支架动力学建模及实验研究

螺栓连接是钢结构连接的主要方式之一,但螺栓连接结构的线性和非线性动力学模型在实际工程中的适用性问题一直没有得到很好的解决。本文搭建用螺栓连接固定的钢支架实验平台,对不同数量螺栓固定的钢支架进行模态实验。根据螺栓连接边界条件的不同处理方式,分别建立线性的完全固连模型、螺栓位置固连模型、非线性摩擦接触模型进行模型计算精度和工程适用性研究。通过实验数据和所建立三种模型计算结果的对比分析发现:完全固连模型的计算精度比较低;相对而言,螺栓位置固连模型的计算结果更接近于实验值,尤其是多螺栓固定的钢支架工况;与两种线性模型相比,非线性接触模型与实验值之间的误差比显著减小,意味着非线性接触模型即使在连接螺栓数较少的结构分析中也能满足工程中的结构计算要求。     

三角形加劲肋T-Stub钢节点分流系数与尺寸效应分析

本文针对T型连接件(T-stub)带三角形加劲肋与无加劲肋两种构造形式的初始抗拉刚度的相互转换问题,运用了有限元软件ABAQUS研究了150组不同截面几何参数的带三角形加劲肋与无加劲肋T-stub的初始抗拉刚度,提出了适用于求解带三角形加劲肋与无加劲肋T型连接件初始抗拉刚度转换系数的简化计算公式,即力的分流系数;重点考察了腹板横截面与加劲肋横截面面积比、加劲肋高长比和螺栓到腹板距离与加劲肋长度比对分流系数的影响,该拟合公式计算结果与有限元和文献计算结果很吻合,满足精度要求.本文还分析了三角形加劲肋高度、螺栓到腹板距离和试件翼缘尺寸的变化对带三角形加劲肋T-stub初始抗拉刚度和屈服承载力的影响.     

直流磁场下销盘摩擦过程中的电磁感应力矩分析

为了研究磁场对材料摩擦磨损性能的影响,本文分析了直流磁场下销盘摩擦过程中的涡流和电磁感应力,并通过积分得到感应力矩的计算公式.在销盘0.1 mm间隙时检测了磁吸力和在不同试验条件下盘试样所受的感应力矩,利用试验数据对感应力矩公式中的修正系数进行了最小二乘法拟合,所得感应力矩公式的计算结果与不同电流和转速下的试验数据很好地吻合.在摩擦磨损过程中,可利用感应力矩公式计算出相应试验条件下盘所受的感应力矩,分析其对摩擦系数的影响.     

包带连接特性及星-箭-包带连接结构耦合动力学的研究进展

包带连接结构是目前航天领域应用最广泛的星箭连接和分离机构. 包带连接结构通过组件间的接触、摩擦传递载荷, 在预紧力作用下实现星箭连接. 各组件间的接触、摩擦力学行为随外载荷的变化而改变, 从而导致包带连接刚度具有明显的非线性特征, 影响火箭的运载能力以及星箭系统的动力学特性. 本文对包带连接结构的局部连接特性及其对星箭整体系统动力学特性的影响进行了综述. 首先介绍了国内外针对包带连接特性开展的研究工作, 重点评述了有关包带连接结构的承载能力和连接刚度等问题的研究进展; 随后, 围绕包带连接结构在星箭系统模型中的表征及其对星箭系统动特性的影响等问题, 对星-箭-包带耦合动力学进行了论述; 最后, 指出了这一领域需要进一步研究的若干问题.      

高速列车车轮踏面磨耗预测方法的研究

高速铁路的发展满足日益增长的运输需求,同时带来了轮轨型面磨损问题.通过磨耗预测模型对车轮踏面磨耗量进行预测,及时对磨损的车轮踏面进行镟修,对于列车安全运行具有重要意义.通过建立轮对-钢轨三维有限元模型进行接触计算,提出一种基于有限元算法的摩擦功计算方法,即接触节点的摩擦功等于接触摩擦力与节点相对位移的乘积,实现车轮踏面磨耗预测.通过接触计算,发现接触斑中心处的接触摩擦力较大,相对位移量较小,摩擦功较小;将接触斑摩擦功叠加得到车轮踏面摩擦功,数值曲线呈中部大边缘小,且随牵引力的增大而增大;通过动力学计算,发现列车在直线钢轨运行初期的车轮横移量近似呈正态分布;对列车在直线钢轨上运行不同里程的车轮踏面进行磨耗预测,发现预测型面与实测型面具有相同的磨耗趋势,即车轮名义滚动圆处磨耗最严重,且磨耗宽度随列车运行里程增加而逐渐增大;应用有限元法计算磨耗功并预测车轮踏面磨耗,具有一定的研究意义和实用价值.     

基于组件法的穿心螺栓连接CFST柱节点初始刚度计算

本文基于EC3中的组件法，分析并建立了不同类型穿心螺栓连接CFST柱节点的力学模型，提出了EC3中未涉及的加强角钢的组件模型以及穿心螺栓连接刚度系数计算公式，推导了不同节点的初始刚度计算公式，试验结果和公式结果的对比表明，采用EC3给出的受拉螺栓刚度系数将大大低估穿心螺栓连接CFST柱节点的初始转动刚度，而采用本文所提出的考虑穿心螺栓预紧力的受拉螺栓刚度系数计算公式则与试验结果吻合较好．