单剪螺栓连接复合材料叠层板螺栓孔周边应力场分布

基于螺栓连接三维实体模型，研究螺栓-孔间隙、挤压面摩擦因数等因素对挤压面上的应力分布的影响。研究发现螺栓连接叠层板每层中在纤维方向上释向应力和周向应力达到最大值，单层板铺层方向是径向应力和周向应力的主要承载方向。螺栓-孔间隙对孔周应力的分布产生较大的影响，径向应力分布具有相似性，间隙越大，径向应力水平越高，最大周向应力反而有所减小，而且间隙的存在使得径向应力的分布发生改变，最大径向应力向外加载荷方向靠近；螺栓-孔接触面的粗糙程度对孔周应力的分布也产生较大的影响。随着摩擦因数的增大，最大径向应力随之减小；最大周向应力随着摩擦因数的增大而减小。     

预紧力对紧螺栓连接板位移载荷响应的影响

针对螺栓连接的可靠性和紧密性问题,研究切向载荷作用下预紧力对紧螺栓连接结合面微滑状态下等效刚度以及微滑移-宏观滑移临界响应幅值的影响。以单搭单螺栓连接板为对象,分析结合面接触压力和预紧力的关系,在研究连接板位移载荷特性的基础上,构建螺栓连接板的等效刚度模型;基于有限元法开发变预紧力的单搭螺栓连接板参数化模型,提出位移载荷响应计算方法;探讨预紧力对微滑阶段螺栓连接板的位移-载荷响应的影响,分析预紧力对微滑移-宏观滑移临界响应幅值和等效刚度的作用。结果表明,当连接板自由端位移响应幅值小于0.075 mm时,预紧力变化对位移载荷响应没有影响,螺栓连接板等效刚度渐硬;当位移响应幅值大于0.075 mm时,预紧力对等效刚度影响明显;微滑移-宏观滑移临界响应幅值与预紧力大小呈近似线性关系。当预紧力为[0.15~0.33]F_(0max)(F_(0max)为最大预紧力)或[0.45~0.70]F_(0max)时,预紧力变化对连接刚度影响很小,预紧力对等效连接刚度的影响可达到50%。研究表明,切向载荷作用下的摩擦式螺栓连接,改变预紧力可调节螺栓连接板的等效刚度和微滑移-宏观滑移临界响应幅值,综合考虑可为螺栓连接板的力学设计提供新思路。     

切向加载下螺栓连接复合板的失效分析*

极限载荷和孔周应力是导致螺栓连接复合板失效的主要因素。基于Hashin失效准则和有限元模型建立螺栓连接复合板的渐进损伤有限元模型,通过位移载荷响应讨论预紧力、界面摩擦因数和孔隙变化对极限载荷的影响,分析不同铺层角下孔周应力分布规律。结果表明：随预紧力增大,螺栓连接复合板极限载荷先增大后减小,随摩擦因数增大,螺栓连接复合板极限载荷逐渐增大;不同孔隙下准线性阶段位移载荷响应基本一致,孔隙对极限载荷的影响主要体现在滑移阶段及剪切变形阶段;孔隙增大会减小螺栓与螺孔间的有效接触面积,影响螺栓连接的压力分布和强度;纤维铺层方向与应力分量同向时可有效减少外载荷导致的该方向应力分量的变化,且主应力分量皆在承压区域达到其最小值;应力分量方向与纤维铺层方向相同且该方向无外载荷作用时,应力分量随着角度从承压区到非承压区递增变化。     

螺栓联接结构接触应力及结合面刚度影响因素研究

在考虑板与板以及螺栓与板间非线性接触、摩擦和螺栓预紧力等影响因素基础上,构建螺栓联接结构的三维有限元分析模型。基于被联接件压应力呈圆锥体分布假设,推导出接触应力分布三次数学表达式,计算结果与有限元数值模拟结果相比最大偏差为9.2%;基于有限元计算,分析不同被联接件厚度、不同螺孔间隙以及不同螺母直径对结合面刚度影响规律,获得结合面刚度计算经验公式,与有限元分析结果相比,公式计算最大偏差为5.24%。     

螺栓连接板抗共振最优间距研究

针对不同预紧力,开展了间距对螺栓连接板模态频率的影响实验研究.首先,构建了螺栓连接板振动模态测试系统;然后,改变螺栓预紧力,测试了不同间距下螺栓连接板的模态频率;最后,讨论了螺栓间距对连接板模态频率的影响机制,并提出了螺栓连接板最优间距动力学设计方法.结果 表明:预紧力变化对螺栓连接板的模态频率有一定影响,而且不同预紧力下间距对连接板模态频率的影响程度不同,但是影响规律基本一致.基于预紧力和间距对螺栓连接板模态频率的影响,提出了基于抗共振的螺栓连接板最优间距设计方法.研究结果为螺栓连接板的抗疲劳动力学设计提供了新思路..     

螺栓组布局对连接结构承载能力和剪切刚度的影响

螺栓连接广泛运用于航空航天与机械工程等领域,其承载能力与剪切刚度是衡量连接可靠性的重要指标。以单搭接螺栓组连接板为研究对象,从分析螺栓连接板的剪切失效过程出发,建立螺栓连接板的等效剪切刚度模型,应用静力拉伸实验测试螺栓连接板的位移载荷响应曲线,讨论螺栓组布局对承载能力和刚度的影响。结果表明：螺栓组布局角度对连接板的承载能力和剪切刚度有一定的影响,布局角度从0°增加到45°时承载能力和刚度逐渐减小,布局角度从45°增加到75°时承载能力和刚度逐渐增大;螺栓组布局角为0°时,连接板承载能力与等效剪切刚度最大,而布局角为45°时最小;不同布局角下连接板的承载能力最大约相差11.05%,等效剪切刚度最大约相差12.02%。     

不同螺栓预紧力的水轮机顶盖及螺栓的静应力分析

使用ANSYS有限元软件建立了某电站轴流式水轮机顶盖及螺栓的模型,研究了不同预紧力工况下顶盖及螺栓的变形和应力分布。结果表明:顶盖应力梯度较大处主要存在于于内顶盖上盖板、内外顶盖法兰螺栓把合处以及开孔两端,螺栓同时承受轴向荷载和弯矩的作用,螺栓横截面应力存在不均匀性;顶盖局部应力与预紧力敏感性比较弱,螺栓应力变化敏感,螺栓预紧力的敏感性依次为变化相对短筋板、上盖板、长筋板。     

TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命

开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究,得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律,分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响,探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明,挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度,优化受拉试样最小截面应力分布,改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命,有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。     

多螺栓连接结构预紧力实验研究

开展多螺栓连接结构预紧力实验研究,获得了其在纯拧紧力矩作用下的预紧力及其响应规律。研究采用应变片测试方法,首先对单螺栓连接结构进行了预紧力实验,获得了不同拧紧力矩条件下螺杆上的轴向应变、轴向应力及预紧力,并通过与经验公式计算结果比较,验证了预紧力测试方法的合理性。在此基础上,开展了多螺栓连接结构预紧力实验研究。为比较相同拧紧力矩条件下,多螺栓连接结构与单螺栓连接结构预紧力水平间的差异,定义了预紧力比例因子K_(pro)。实验结果表明,由于螺栓组内部各螺栓间的相互影响,其预紧力水平明显低于单螺栓结构,并与螺栓拧紧状态相关。就本文所采用的多螺栓连接结构而言,在拧紧力矩较低、螺栓尚未完全拧紧时,K_(pro)为0.7~0.8,其预紧力水平为单螺栓结构的0.7~0.8倍;当拧紧力矩较高、螺栓处于稳定的拧紧状态时,K_(pr)为0.6左右,其预紧力约为单螺栓结构的0.6倍。     

纳米尺度孔边裂纹裂尖Ⅲ型应力强度因子研究

研究了纳米尺度圆孔孔边裂纹在远场反平面剪切载荷作用下的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和保角映射技术,利用复变弹性理论获得了该类非均匀材料应力场的解析解,给出了裂尖Ⅲ型应力强度因子的闭合解。基于所得解答,研究了孔边的应力场分布规律,讨论了裂尖应力强度因子的尺寸依赖效应以及圆孔相对尺寸对应力强度因子的影响。研究结果表明：孔边应力场呈现非单调分布,表面效应对孔边不同位置应力的影响程度不同;当圆孔裂纹的尺寸在纳米量级时,裂尖应力强度因子具有显著的尺寸依赖效应;圆孔相对裂纹尺寸对裂尖应力强度因子的影响规律受表面性能的制约,同时表面性能对应力强度因子的影响也取决于圆孔的相对尺寸。     

复合材料干涉连接结构多界面夹紧力有限元分析

建立了碳纤维增强复合材料(CFRP)的单搭接螺栓连接结构三维模型,在充分考虑材料属性及接触关系的基础上,进行了干涉配合状态下孔周应力状态和夹紧力分布的数值模拟与分析。结果表明:在预紧力沿模型板厚方向的传递过程中,螺栓与孔壁接触界面的摩擦力会直接抵消部分作用力,导致自螺母端至螺栓钉头端夹紧力逐渐降低,降低的幅度与速率受到预紧力大小和孔周应力状态的影响。     

考虑界面端应力奇异性的螺栓连接支承面接触压力计算模型

将螺栓连接支承面接触问题简化为集中载荷和力矩耦合作用的有限刚度平头压模接触问题,利用BOGY特征值方程,分析双材料界面端应力奇异性发生的几何条件;依据GLADWELL接触力学理论,构建集中载荷和力矩耦合作用下平头压模接触压力计算模型,利用此模型分析螺栓预紧力、装配间隙和被连接件材料对螺栓连接支承面接触压力分布的影响规律。结果表明：在规定预紧力范围、装配等级和常用被连接件材料下,螺栓连接支承面不会发生退让接触,而界面端部出现明显的应力奇异性,其中预紧力变化对界面端应力奇异性强度影响不明显,但装配间隙和被连接件材料的变化对界面端应力奇异性强度影响显著;当被连接件材料弹性模量大于螺栓材料时,支承面内侧应力奇异性强度大于外侧,反之内侧应力奇异性强度明显小于外侧。此外,以平头压模为算例,采用有限元法验证了构建模型的准确性。     

螺栓载荷的简单测量法

图示为一种置于螺栓体内,由螺钉和十字型垫圈组成的测量装置。它可连续观察和测定该螺栓是否紧固到所需的载荷。在螺栓1上打一中心通孔,将测量螺钉2套上十字型垫圈3后插入该螺栓通孔内。使用该装置时,首先应确定该螺栓在工作载荷或工作应力下的最大伸长量,(该伸长量可通过计算或实测得出)。然后用塞规或其它量具测出十字型垫圈和螺钉头部间的间隙d,使其等于螺栓工作应力下的伸长量,此时用锁紧螺母4固定该间隙。测量螺钉2与螺栓1应用相同材料,以免除热膨胀而带来的误差。当螺栓被紧固到一定的程度时,测量螺钉头部压紧十字型垫圈,使其不能转动,此时即表明该螺栓已满足所需要的紧固力。检查紧固力的保     

巧用工作台T形槽

在大型板类工件表面上铣削沟槽、型腔等结构时,常从板件的外缘夹紧。即使有时板上有孔,也往往由于孔与工作台上T形槽的位置不一致而不能用孔来夹紧。用下述方法可解决这一问题。作一夹板1,一端制出螺纹孔,另一端为光孔(附图)。用螺栓将夹板装于T形槽上,夹板底面与工作台台面之间留出0.25～0.28毫米间隙,以便使夹板能沿T形槽滑动和绕     

有限厚中心圆孔板的最大三维应力集中

应用有限元法对有限厚中心圆孔板的三维应力集中进行了分析。分析发现,当板厚是孔半径的2.4倍时,出现最大应力集中,若此时采用总厚度与其相等的系列分层板来代替整板,将有效地降低三维应力集中;对于厚板,最大应力集中总是出现在离自由表面1.2倍孔半径的位置。分析得到最大三维应力集中系数与相应平面解之间的近似关系;在缺口系数的基础上,研究了三维应力集中对疲劳强度的影响,并给出一个三维应力集中对疲劳强度的影响系数。     

间隙配合小冠头双线螺栓用衬套压铆研究

小冠头双线螺栓用衬套由于结构较小,在压铆过程中易受多种因素影响.为此针对直径9.8mm,高3mm的小冠头双线螺栓用衬套与壁板沉头孔间隙配合的方式,通过墩头挤压使其衬套根部胀大被固定的方法进行压铆实验,应用Abaqus有限元分析软件,改变小冠头双线螺栓用衬套与壁板沉头孔的间隙量和墩头倾角,对压铆力以及小冠头双线螺栓用衬套变形量进行研究,将模拟结果与实际情况进行比较,结果表明:在一定范围内,压铆力随着间隙量和墩头倾角的减小而增大,适当的增大墩头倾角可有效的增加小冠头双线螺栓用衬套变形量.研究成果可为类似衬套工件的配合提供参考.     

小冠头双线螺栓用衬套过盈配合研究

小冠头双线螺栓用衬套在过盈配合过程中,套身容易出现裂纹或卷边。针对此问题,运用Abaqus有限元软件对小冠头双线螺栓用衬套、薄壁件分别定义为0Cr18Ni9、Q235钢的材料属性,通过改变小冠头双线螺栓用衬套与薄壁件孔配合的过盈量和小冠头双线螺栓用衬套套身长度,对配合过程中的应力(装配应力)、接触压力以及所需压装力的影响规律进行研究;用压力可控的压铆设备针对有限元模拟中的各种情况进行压装实验。研究结果表明:装配应力随着过盈量的增加而增大,衬套套身长度对装配应力影响不大;接触压力、所需压装力随着过盈量的增加和衬套套身长度的增长呈递增趋势;当过盈量达到0.1 mm时,小冠头双线螺栓用衬套容易出现压扁现象,衬套套身长度越长越容易发生卷边。     

圆弧形螺纹结构的承载特性研究

利用ABAQUS软件建立螺纹连接的轴对称有限元模型,对特殊的圆弧形螺纹结构承载特性进行分析,结果表明:圆弧形螺纹结构连接件的最大应力节点一般位于螺栓与螺母第一啮合齿的螺栓齿根处,轴向荷载主要由前三个啮合齿承担,最大应力值与外加荷载呈非线性性递增关系;以最大应力节点为起点,螺栓沿水平路径和竖直路径的应力演变特征鲜明,可以为连接件的结构优化和性能改进提供依据;当轴向荷载较小且公差配合间隙足够时,由于最大应力节点的位置发生变化,连接件的最大应力值会随螺栓与螺母的公差配合间隙出现明显波动。     

复合材料两钉斜削搭接接头钉载分配与连接强度研究

针对复合材料层合板与斜削金属材料板双搭两钉连接接头,基于有限元分析软件ANSYS技术平台,对7种不同几何参数的连接接头钉载比例进行计算分析,探讨螺栓直径配置及金属板厚度对钉载分配的影响。结果表明,降低靠近层合板加载端螺栓直径有助于改善钉载分配,而提高或降低远离加载端的螺栓直径均无益改善钉载分配,降低接头金属连接板非斜削端厚度有助于优化钉载分配;另对上述接头中等直径螺栓连接的斜削形式和等厚度搭接形式接头进行的损伤累积仿真模拟及静拉伸极限强度计算表明,斜削搭接形式下层合板各角度铺层初始损伤载荷及接头整体最终失效载荷值均高于等厚度搭接,且计算发现,在极限载荷水平下,斜削接头持续保持较等厚度搭接接头钉载分配方面的优势,得出其连接强度的提高与它载荷分配优势从加载初持续到最终失效是分不开的结论。     

螺栓轴向应力的非线性超声检测技术研究

在工作过程中,螺栓常受到轴向应力的作用,作为最常见的紧固件之一,螺栓的服役质量对于安全生产至关重要。非线性超声技术对材料内部微结构的变化敏感,在检测螺栓轴向应力方面有极大的潜力。根据超声波在各向同性材料内部的传播规律,分析了非线性系数与基波幅值以及高次谐波幅值之间的关系,搭建了非线性超声检测系统。以45钢和304不锈钢材质的螺栓为研究对象,对不同轴向应力下的螺栓进行非线性超声检测,得到非线性系数与螺栓轴向应力之间的关系曲线。结果表明,螺栓的超声非线性系数随轴向应力的增大而单调增加,当轴向应力超过一定值时,非线性系数显著增大,说明非线性系数对应力变化敏感,可以用来表征螺栓的轴向应力。通过对相对非线性系数进行归一化和多项式拟合,得到螺栓轴向应力与归一化相对非线性系数之间的函数关系,然后采用非线性超声和线性体波检测两种方法对电子拉伸试验机施加的螺栓轴向应力进行检测验证试验,200 MPa以上的轴向应力采用非线性超声检测误差在6%以下,明显优于线性超声体波检测,研究结果为服役状况下螺栓的轴向应力检测提供了有效支撑。