螺栓连接对燃机燃烧室结构模态的影响研究

针对螺栓联结带来的预紧力和摩擦系数对装配体模态影响较大而在设备装配中因处理困难常被忽略的问题,利用有限元分析方法、试验结合对比方法进行研究。以某型燃气轮机燃烧室作为研究对象,对重型燃机燃烧室实际模型进行建模,建立带有实体螺栓联结的有限元模型,考虑表面接触刚度、螺栓预紧力和摩擦系数等因素,重点分析预紧力和摩擦系数对结构模态的影响规律;并以该燃气轮机1:4缩比模型加工实体模型,利用锤击法对其进行模态试验,得出其固有频率并与仿真结果对比,验证仿真方法的有效性。     

预紧力对螺栓联接机匣模态频率的影响研究

为研究预紧力对螺栓联接机匣模态频率的影响,首先,从理论上建立预紧力作用下螺栓联接结构模态方程;其次,以螺栓联接板试件为例,基于有限元分析和试验相结合的方法,验证螺栓联接接触面处理方法的准确性;然后,建立较为精细的机匣有限元模型,进行不同预紧力作用下的机匣模态分析;最后,分析刚性机匣和预紧力作用条件下的实体机匣各阶固有频率相对差异,重点研究预紧力变化对各阶模态频率影响程度。研究表明,随着预紧力增大,机匣各阶固有频率总体上有所增大,并且预紧力对各阶固有频率的影响程度各不相同,结合振型图发现,对于连接面处相对变形较大的振型,其模态频率受预紧力影响较大;而对于连接面处相对变形较小的振型,其模态频率受预紧力影响较小。     

防松胶对螺纹连接预紧力影响试验研究

鉴于螺纹在涂胶前后或涂不同种类防松胶、施加相同拧紧力矩时产生的螺栓预紧力差别较大,对空间光学遥感器装配中常用防松胶对螺纹连接预紧力影响进行定量试验研究,结果表明,在螺纹上涂硅橡胶D04(L)与不涂胶相比,相同拧紧力矩时螺栓预紧力减小50%~70%;涂厌氧胶乐泰243、相同拧紧力矩时螺栓预紧力增大46%~98%。某类防松胶使用前需对其对螺纹连接预紧力影响进行定量测试,据测试结果调整螺栓的拧紧力矩达到预期预紧力;在对预紧力精确控制的连接区域,力矩扳手紧固方式不再适用。     

基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性

在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。      

考虑紧固螺栓的三排滚柱式转盘轴承载荷分布计算

螺栓是转盘轴承的关键紧固件。为考察紧固螺栓工作参数对转盘轴承载荷分布的影响,提出了一种针对三排滚柱式转盘轴承的有限元等效建模方法。首先,基于三排滚柱式转盘轴承的结构特点和受力情况,建立考虑紧固螺栓的转盘轴承有限元模型,并从减少计算量和保证计算效率等方面考虑,采用非线性弹簧单元模拟滚子,通过有限元仿真快速获取了该转盘轴承的载荷分布。然后,设计并开展三排滚柱式转盘轴承静态加载试验,通过有限元仿真结果和试验结果的对比验证了所构建有限元模型的准确性。最后,基于构建的有限元模型,分析了螺栓预紧力和螺栓结合面处摩擦系数对三排滚柱式转盘轴承载荷分布的影响。仿真结果表明：螺栓预紧力对三排滚柱式转盘轴承载荷分布的影响显著,而螺栓结合面处摩擦系数的影响微弱,其中上排滚子承受的最大载荷随螺栓预紧力的增大而增大,下排滚子承受的最大载荷随预紧力的增大而减小;在轴向力和倾覆力矩的联合作用下,三排滚柱式转盘轴承下排滚子承受的载荷总体上高于上排滚子,充足的螺栓预紧力可以提高转盘轴承的承载能力,而螺栓预紧力不足则会使下排滚子承受更大的载荷,导致转盘轴承提前失效。研究结果可为转盘轴承的安装和后期维护提供参考。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识EI北大核心CSCD

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

螺栓连接对高压转子结合面弯曲刚度的影响

研究螺栓连接特性（如螺栓个数和预紧力大小）对航空发动机高压转子连接结构弯曲刚度的影响。首先建立螺栓结合面精细化有限元模型,利用ANSYS软件对不同螺栓个数和不同预紧力条件下结合面弯曲刚度进行仿真计算。之后,在MATLAB中对仿真结果进行曲线拟合,结果显示弯曲刚度与形变量之间可表示为双指数形式,螺栓个数和预紧力大小决定了方程系数。同时,提出“等效刚度系数”的概念来模拟高压转子螺栓连接装配技术。最后,通过实验对仿真结果进行验证,实验得到的形变量-刚度曲线与仿真结果一致。结果表明,得到的弯曲刚度和形变量之间的双指数函数关系有助于航空发动机的设计工作,提出的“等效刚度系数”可以较好地评价螺栓结合面的刚度特性。     

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)螺栓和摩擦斜面结合,提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper,SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理,给出描述滞回行为的理论公式,开展了概念验证试验,建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明,采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数,阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线,拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力,并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型,建立了6个额外的有限元模型进行参数分析,关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内,其他部件保持弹性;增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力;当接触面间的摩擦系数较大时,阻尼器的耗能能力得到提高,但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位;对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度,但是会降低阻尼器的最大变形能力。     

大断面盾构隧道管片接头抗弯力学模型研究

针对大断面盾构隧道复杂接缝面管片接头特点,考虑其接缝面细部构造、混凝土及传力衬垫的非线性力学特性、接缝面荷载传递特性以及接头螺栓预紧作用等因素的影响,建立了能够表征管片接缝面混凝土开裂与压碎、螺栓屈服以及接头破坏的管片接头抗弯力学模型,并结合管片接头抗弯足尺试验对大断面盾构隧道管片接头的抗弯性能进行对比分析。研究结果表明:弯矩较小时接缝面最大张开量增长较缓慢,当弯矩超过一定量值后,接缝面最大张开量显著增长;接缝张开高度超过螺栓位置而使螺栓受拉后,张开高度随弯矩增长幅度逐渐减小并趋于稳定值;负弯时接缝面的张开时机及螺栓的受力时机晚于正弯;轴力越大,接缝面的张开时机越晚,同等大小弯矩条件下张开高度的越小;管片接头抗弯刚度随弯矩增长总体呈非线性减小特点,轴力对于抗弯刚度的保持有益,轴力越大接缝面的抗弯能力越持久。研究结果可为大断面盾构隧道管片接头的设计提供指导与参考。     

Research on Vibration Transfer Characteristics of the Bolt Connection Structure

Bolt pre-tightening force and the characteristics of contact surfaces have great influence on structural modes and transfer functions, which are usually ignored due to the difficulty in treatment. Using the ANSYS Workbench software, the finite element model of the whole structure and the bolt connection structure are established, and the vibration modes and harmonic responses in different structures are investigated. By comparing the finite element calculation data and test data, the influence of bolt connection structure is analyzed. Comparing the results when the bolt pre-tightening force is varied, the results show that the natural frequencies of bolt connection structure decrease compared with the whole structure. The transfer characteristics of the system are influenced by the pre-tightening force, and the natural frequencies increase with the increase in pre-tightening force.     

三峡升船机卧倒门支铰座螺栓联结载荷特性分析与强度设计

针对三峡升船机在试运行过程中卧倒门支铰座螺栓发生断裂故障,分析得出故障的主要原因是螺栓联结的预紧力矩（1 233 N·m）过小、A2-70-M36螺栓强度不够。基于此,提出了一种提高三峡升船机下闸首卧倒门支铰座螺栓联结可靠性的方法。首先,分别分析计算了升船机卧倒门在无水关门、无水开门、有水关门和有水开门四种工况下的液压启闭机油缸的作用力及支铰座联结螺栓的最大工作载荷,其中有水关门工况考虑了0.8,0.7,0.5 m三种壅水高,有水开门工况考虑了0.8,0.5,0.3 m三种水位降。然后,根据启闭机的额定输出力,反推得出有水关门时壅水高不超过0.7 m,有水开门时水位降不超过0.3 m;最后,根据残余预紧力条件,确定了预紧力矩为2 400 N·m;强度计算结果表明,选用10.9级M36螺栓时,卧倒门支铰座螺栓联结能够满足强度要求。维修后卧倒门运行良好,可靠性提高,这为三峡升船机下闸首卧倒门安全运行提供了技术依据。     

燃气轮机拉杆转子考虑接触效应的扭转振动模态分析

燃气轮机转子一般是由多个层叠的轮盘通过拉杆组合而成,各轮盘接触面由磨削加工形成。粗糙度测试结果表明磨削加工的实验拉杆转子轮盘面具有两个不同分形结构的区域。利用结构函数法计算了这种双重分形面的轮廓曲线的分形维数D1、D2和分形粗糙度参数G1、G2 。采用双重分形几何描述接触表面的拓扑结构,并根据赫兹接触理论导出接触微凸体的切向接触刚度。弹塑性双重分形面的切向接触刚度等于所有微观弹性接触点的切向接触刚度的总和。粗糙层是由相接触的微凸体所构成的,其抗扭刚度模化为接触转子轮盘间的一个抗扭弹簧。通过三维有限元模态分析和实验模态分析得到了拉杆转子在不同预紧力下的扭振模态频率。通过上述计算和实验结果识别了粗糙层的抗扭刚度,实验测试结果和理论计算结果相一致,这表明上述接触层抗扭刚度的双重分形模型实合理的,可以有效地考虑接触效应对拉杆转子扭转振动模态频率的影响。     

箱形柱塞焊与单向螺栓芯筒式连接节点性能试验对比研究

对提出的塞焊-芯筒式和单向螺栓-芯筒式连接节点及传统全熔透焊接连接节点进行拟静力试验,对比研究各节点在试验现象、恢复力模型、延性系数、典型部位应变情况及螺栓预拉力等力学性能上的差异,在试验的基础上对芯筒式连接节点进行机理分析。研究结果表明:塞焊-芯筒式连接节点与单向螺栓-芯筒式连接节点均具有良好的承载能力和节点刚度。塞焊数量与单向螺栓数量相同的箱形柱芯筒式连接节点的滞回曲线基本重合,延性系数相近,刚度退化规律基本一致;塞焊数量的增加可提高节点的刚度,减小螺栓的预拉力损失,节点的延性系数有一定提高,承载力的提升不明显;增加塞焊数量的塞焊-芯筒式连接节点的力学性能与传统全熔透焊接连接节点相近。塞焊-芯筒式连接节点的造价相对较低,适用于现场允许少量焊接的情况,单向螺栓-芯筒式连接节点能够实现全螺栓装配,在施工现场无焊接作业,在实际工程设计中可根据工程需求灵活选用两类节点。     

双矩管装配式防屈曲支撑螺栓设计理论研究

装配式防屈曲支撑的外围约束构件主要通过高强螺栓连接形成整体,螺栓的布置及直径选取直接关系到外围构件是否能有效约束内核构件的侧向变形。为此,该文在双矩管装配式防屈曲支撑外围约束构件刚度取值及其设计方法较完善的前提下,通过考虑外围约束构件的螺栓布置间距、内核多波变形波长以及因外围约束构件板件局部变形引起的撬力影响来确定跨中螺栓内力;此外,还提出了端部螺栓的内力计算公式及端部螺栓加强方案,完善了双矩管装配式防屈曲支撑螺栓设计理论。     

基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法

由于纵向力及螺栓屈服等因素的影响,盾构隧道衬砌结构的纵向抗弯刚度沿隧道轴线分布并不均匀。针对该问题,引入隧道在附加沉降变形条件下的典型内力分布模式构造内力形函数,建立基于柔度法的盾构隧道衬砌结构纵向梁模型,并通过在轴向和环缝两个层次引入数值积分方法进行求解;基于该模型,得到了在柔性边界和刚性边界两种典型边界下沿隧道轴线的环缝变形分布,并讨论了数值积分策略对于计算结果的影响。研究结果表明:纵向力和螺栓屈服的影响在结构纵向变形计算中不可忽略,而考虑以上两点因素后,结构由于受局部集中变形的影响,位移模式将非常复杂,所提出的柔度法模型则能够避免传统刚度法模型在处理该问题上的局限性,从而用很小的计算代价获得较为精确的隧道结构纵向变形。     

螺纹摩擦对螺栓轴向力-伸长量特征曲线的影响

基于超声波技术,通过对螺栓进行拉伸试验,研究了不同外载下螺栓轴向力-伸长量特征曲线的差异,分析了螺纹摩擦对螺栓轴向力-伸长量特征曲线的影响。结果表明:螺栓的单向拉伸与扭转拉伸因受到的载荷方向不同而导致其屈服点不同;螺栓前期拧紧标定过程中螺纹摩擦对螺栓轴向力有很大影响,会影响后续子系统螺栓夹紧力的大小;不同的螺纹摩擦状态导致拧紧过程中螺栓轴向应变速率不同,会产生不同的特征曲线,且螺纹摩擦因数越大,扭转应力就越大,螺栓屈服点就越低;若能保证轴向拉伸速度相同,不管是涂层之间的正常螺纹摩擦还是使用机油降低摩擦,获得的特征曲线斜率是相同的;无涂层的金属间摩擦会导致螺纹尖端产生塑性变形,形成的特征曲线弹性段斜率有较大差异。     

Evaluation of the Clamping Force of Bolted Joints Using Local Mode Characteristics of a Bolt Head

It is important to determine and control the clamping force of a bolted joint. Due to its simple setup, the torque control method is typically used to control the clamping force when tightening bolts. After tightening, hammer tests, ultrasonic techniques and methods employing sheet materials as sensors are often used. Many methods have been proposed, but using them to determine and control the clamping force during or after tightening bolts is labor intensive or expensive. Here we conduct impact tests with an impulse hammer combined with experimental modal analysis to determine the clamping force by interpreting the change in the local mode frequency of a bolt head in the high frequency region as a function of the clamping force. To demonstrate the applicability of our method, we also investigate its limits with regard to bolt sizes.     

Determination of forces in bolted joints

We propose a new approach to the determination of forces applied to a bolt in a tightened joint taking into account the variations of its stiffness and present the results of experimental investigations of the stress-strain diagrams of bolts for different values of tightening forces applied to the joints. The proposed procedure for the determination of forces acting on the bolt in the joint subjected to the action of variable loads takes into account the behavior of the stiffness of the joint regarded as a function of the load and tightening forces. We analyze different methods aimed at the determination of forces applied to the bolt according to the results of fatigue tests of bolts in tightened simple joints and present preliminary initial data required for the analysis of variable forces acting on the bolts in tightened joints. By using a new approach, we propose basic principles of design of economically efficient joints.     

适用瞬态响应计算的火箭结构动力学模型修正方法

大型火箭结构十分复杂,其连接型式多,存在多分支结构。分析火箭结构中存在弱刚度的内-外翻边连接、螺栓点连接等典型连接型式,基于元素型法,以这些部位刚度为修正参数,开展动力学模型修正方法研究。结果表明,采用的方法能保证修正后模型的物理意义和真实性,能够适用于瞬态外激励作用下的结构响应计算,特别是内力响应计算。修正后模型的各阶模态结果和试验吻合较好,且与实际试验中瞬态响应的实测结果相比,计算具有较高精度,能够满足工程需求。