强脉冲载荷作用下端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法

为研究承受强脉冲载荷的端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法，利用实验室霍普金森杆平台，基于液压原理设计了一套实验装置，并结合数值模拟结果，对强脉冲载荷下端盖法兰结构的动态响应进行研究。通过研究发现:由预紧力和脉冲载荷引起的螺栓总拉伸应变随载荷峰值变化的曲线上存在最小极值点，并总结了最小极值点随载荷峰值、载荷脉宽的变化规律，为强脉冲载荷下法兰结构和预紧力设计提供了依据。     

球形爆炸容器法兰联接螺栓的应变增长现象

本文在球形爆炸容器法兰连接螺栓的动态响应实验研究中，发现了法兰螺栓的应变增长现象。以实验数据为基础，通过数值模拟对螺栓发生应变增长的原因进行分析。研究结果表明:受到开口结构的影响，端盖螺栓受到的压力载荷强度较容器内壁大幅增强。螺栓的应变增长是被增强压力载荷的前2个周期与结构响应形成共振时引发的，通过改变端盖质量、预紧力大小可以避免螺栓发生应变增长。     

基于代理模型的箭体连接结构极值响应分析与优化

螺栓法兰连接结构在航空航天等工程领域中广泛应用，其力学性能在不同工况和装配情况下十分复杂。由于拉压刚度差异，含连接结构的箭体动力学响应呈现明显的非线性特征。因此，考虑不同连接参数及工况下的连接非线性动力学响应，对结构优化设计有着重要意义。本文针对以双线性弹簧表征螺栓法兰连接非线性的箭体等效动力学模型，基于径向基函数(RBF)神经网络和响应面法分别建立其连接面处的极值响应代理模型，对比发现RBF神经网络模型在较高精度上可以实现对动响应极值的预测及分析；同时分析了不同载荷参数及刚度变化对连接结构动响应极值的影响；最后，利用RBF神经网络代理模型，开展了连接面加速度极值响应与螺栓弹簧力最小化为目标的连接结构参数优化。     

基于机电阻抗技术的管道法兰结构健康监测实验研究

基于机电阻抗技术,采用一种新型压电陶瓷纤维复合材料MFC(Macro-fiber composite),对管道连接处法兰的螺栓工况进行监测实验研究。首先,研究了螺栓扭矩大小对管道法兰结构的阻抗的影响程度。在对螺栓开始施加扭矩时阻抗值变化明显,当扭矩增大到一定程度后,阻抗变化减缓。同时进一步研究了松动螺栓数量与管道法兰结构的阻抗变化之间的关系。结果显示,结构的损伤值随松动螺栓个数的增加呈线性增长。采用均方根偏差统计算法,对在不同工况条件下管道法兰结构处测得的阻抗值进行了有效的分析和处理。结果表明,采用MFC作为压电敏感元件的机电阻抗法,用于管道法兰结构健康监测具有较好的稳定性和应用潜力。     

两种典型螺栓连接结构的刚度特性比较研究

针对法兰对接和径向套接两种典型舱段螺栓连接形式,基于有限元静刚度计算、动力学简化建模、冲击响应特性分析及结构冲击试验,系统研究了两种连接形式的轴向刚度特性及其对动力学冲击响应的影响.有限元静刚度分析揭示了法兰对接与径向套接的轴向拉压刚度分别是非对称的和对称的,而法兰对接的平均刚度更大.之后,为两种连接形式建立了统一的动力学模型,证明非对称的轴向拉压刚度导致结构在受到横向载荷作用时会产生附加的耦合轴向振动,并且利用高精度幂函数拟合刚度跳变,得到耦合轴向振动频率是弯曲振动频率的二倍的结论.最后,通过冲击动力学试验证明了法兰对接存在二倍频的耦合轴向振动,而径向套接则不存在该耦合振动.径向套接虽然一阶频率较低,但阻尼效果更好.     

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速（13.82 cm/s）可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。     

考虑弯曲变形的端盖法兰动态密封设计方法

端盖法兰的螺栓预紧力选择是密封结构设计的重要问题。本文中通过估算端盖法兰弯曲振动的等效刚度和等效质量，建立了考虑端盖弯曲振动的法兰结构响应双弹簧分析模型，获得了与实验数据一致性较好的结构响应分析结果。总结了端盖轴向振动、弯曲振动引起的密封面位移随预紧力、端盖厚度的变化规律；并发现随预紧力增加，密封面间隙逐渐减小并趋于一个极值；端盖弯曲变形是影响该极值大小的主要因素。     

移动简谐荷载作用下轨道结构动态响应研究

研究了移动简谐荷载作用下轨道结构的动态响应特性,首先,将轨道结构简化为连续离散点支撑的弹性Euler梁模型,并建立了移动荷载作用下轨道系统动力学微分方程,基于无限周期结构在频域内的性质和叠加原理,推导出了移动简谐荷载作用下轨道结构上任意点的动态响应解析表达式;然后,数值分析了激励频率、扣件刚度、扣件阻尼对轨道结构动态响应的影响。研究结果表明:钢轨动态响应共振峰出现在荷载激励频率附近;随着激励频率的增大,钢轨动态响应峰值向高频方向移动;在高频段内,钢轨动态响应随着扣件刚度的增大而增大;扣件阻尼对系统的共振峰值及峰值带宽无显著影响,但在高频段内扣件阻尼具有明显抑制振动的作用,通过增大阻尼可以有效控制轨道的高频振动。     

拱形防撞装置摆锤碰撞试验及数值模拟研究

为了验证拱形桥梁拱形防撞装置船撞有限元结构计算中结构应变响应的准确性以及寻找计算中影响应变响应的因素,通过拱形防撞装置1:25比例模型摆锤碰撞试验以及有限元数值模拟进行对比验证分析.对拱形防撞装置1:25比例模型进行摆锤碰撞试验,采集试验中碰撞力和关键点的应变响应曲线,并对试验进行漂浮状态下无阻尼和有阻尼两种情况的数值模拟对比分析.分析发现无阻尼模型计算出的应变响应不论是响应趋势还是应变峰值点的大小都与试验相差较大.通过在有限元无阻尼模型中引入Rayleigh质量比例阻尼分析,试验采集到的应变峰值与有限元数值模拟分析出的应变峰值之间的误差约为8.7%,应变响应趋势也基本一致.因此,有阻尼计算模型可应用于实际结构的计算中,应变峰值误差也可作为实际结构应力计算结果评价的参考指标,并可将该误差作为工程安全系数的一部分来考虑.     

设防烈度下非比例阻尼结构地震随机响应峰值区间估计方法

建立与抗震规范设防水准相一致的地震动随机模型,给出了非比例阻尼结构体系地震反应运动方程,推导了非比例阻尼结构体系分析的复振型时域闭合解和地震随机响应的闭合解.通过随机响应的峰值因子和变异系数获得了非比例阻尼结构体系的地震随机响应峰值均值和方差,提出了设防烈度下非比例阻尼结构体系随机响应峰值区间估计方法.计算31条实际地震记录的复振型时域闭合解,并与地震随机响应的闭合解进行了比较,算例结果表明随机响应峰值区间估计方法的合理性和有效性.地震响应区间分析方法将是工程抗震设计的一个重要方法.     

Ultrasonic measurement of the bending of a bolt in a shear joint

An ultrasonic pulse/echo technique is used to measure preload in bolts used in structural joints. In this paper, the same instrument is used in a different way to measure change in the ultrasonic measurements due to bending in the bolts. A theory that explains the ultrasonic measurements is developed. The bending loads result in a rotation and a translation of the ultrasonic pulse reflecting face. It also creates a stress gradient in the bolt. This results in a phase variation (or gradient) in the received ultrasonic beam across the face of the transducer. It also results in a physical shift in the received beam relative to the ultrasonic transducer. The phase gradient and the shift in the beam results in change in the pulse travel time. A number of experiments were performed on the bolt to study the effect of the bending on the ultrasonic measurements. The experiments and the theory validate a sensitive new method for measuring the bending loads in the bolts.     

Photoelastic analysis of a thin-walled compressor housing

The fabrication, testing, and analysis of a full-sized photoelastic model of a thin-walled compressor housing are presented. The conical model and connecting bolts were stress frozen under axial and bending loads to simulate severe in-flight manoeuver loads of a jet aircraft sufficient to cause flange separation. Results and discussion are presented for stresses in and near the flange, for stresses experienced by the bolts, and for the fabrication techniques used.     

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。     

Flange stress and bolt loads

A steel-to-aluminum flange joint was simulated by a plane model. The flanges and the bolt were made separately and assembled with the desired preload. The relative rigidities of these components were reproduced by the use of various materials and thicknesses. Birefringent material was utilized in conjunction with normal photoelastic techniques to evaluate, with respect to duct loading, the loads in the bolt at various preloads and the stresses in the flange sections.     

A CW ultrasonic bolt-strain monitor

There exists a need for a relatively inexpensive system for measuring strain in bolts. The torque wrench is one technique for straining bolts which has been widely applied. Unfortunately, friction in the bolt threads and between the nut and the work tend to make such a simple system inaccurate. In practice, a torque wrench is unacceptable for many situations where strain is critical. In this article, an ultrasonic technique is described which can indicate changes in bolt strain to better than one part in 10⁴. The technique is based on the one-dimensional propagating-ultrasonic-wave model and uses a new ultrasonic instrument called a Reflection Oscillator Ultrasonic Spectrometer which is a closed-loop feedback marginal-oscillator system that frequency locks the device to the peak of a mechanical resonance in the bolt. The instrument indicates a shift in the bolt resonance frequency due to elongation and changes in velocity of sound due to strain. Data are presented comparing a standard torque wrench to the ultrasonic monitor for different measured stresses on the bolt as well as for different bolt conditions. The strain instrument can be used to monitor changing stresses, to measure material properties and may be applied as a strain gage or load cell.     

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．     

理想弹塑性锚杆拉拔理论分析

假定拉拔时锚固体与周围岩土体之间的剪切位移荷载传递符合理想弹塑性模型,推导出锚杆抗拔力的解析算式．根据埋设于淤泥质土层中锚杆的拉拔破坏性试验数据,采用该公式计算锚杆抗拔力,并与实测值对比,两者较为吻合．