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。      

复合材料螺栓连接预紧力松弛的改进预测模型

该文研究了复合材料构件螺栓连接预紧力的长期性能预测。在作者前期工作的基础上,建立并完善了基于蠕变全应变理论的螺栓连接预紧力松弛预测模型。主要改进包括各蠕变阶段表达式转换为分段形式和修正时-温转换因子的作用方式两方面。采用时-温等效原理获得的长时加速表征实验数据对模型进行验证。结果表明,本模型能较好地描述预紧力长期特性,且预测效果比现有的Shivakumar-Crews模型及Hook-Norton模型更好,从而证明了该模型的准确性和可靠性。     

微动损伤对复合材料螺栓连接预紧力松弛的影响

开展了横向循环载荷下复合材料螺栓连接件预紧力松弛试验,探究了材料疲劳损伤与接触面微动磨损联合作用下螺栓连接预紧力松弛过程。基于有限元软件ABAQUS,采用Archard磨损模型和ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）自适应网格技术,编制了适用于连接结构微动磨损的UMESHMOTION子程序,建立了分析连接支承面微动磨损的计算模型;利用子程序UMAT编制了Shokrieh和Lessard提出的疲劳累积损伤定量分析程序。在此基础上分析了复合材料疲劳损伤、螺孔伸长及接触磨损的耦合作用下预紧力随循环周次变化的机制,与实验结果进行对比,验证了所提出的预测方法的合理性、有效性。      

复合材料螺栓连接松弛的弹-黏塑性分析方法

预紧力松弛是影响复合材料螺栓连接结构耐久性的主要原因之一。本文重点讨论导致预紧力松弛的材料蠕变与粗糙表面接触蠕变的相互影响。内容包括建立了以弹-黏塑性理论为基础的复合材料蠕变本构模型,并结合考虑粗糙表面的分形接触理论,将其推广到与时间相关的弹-黏塑性接触问题。数值结果与实验结果对比表明,考虑粗糙表面接触效应时,计算误差从2.87%～4.37%降至0.04%～0.5%,预测准确性有显著提高。表面分形参数D和G的讨论结果表明,接触表面越粗糙,预紧力越容易松弛。这对工程上通过控制表面形貌参数来改善表面接触性质具有指导意义。     

FRP 结构螺栓接点的预紧力与应力松弛

应用螺栓-垫圈应力理论对FRP 结构搭接点预紧力进行了研究。理论计算的预紧力与垫圈的尺寸, 在结构试验初期与试验数据相吻合, 但随时间的增长, 由于基体的松弛效应, 预紧力有明显的减小, 然后在某一数值上又趋于稳定, 但重新按原预紧力紧固螺栓后, 1. 5 年的试验结果表明, 接点的应力松驰得到非常明显的抑制, 取得了预定的效果。      

振动工况下螺栓连接自松弛机理研究

为研究振动工况下螺栓连接自松弛机理,利用ANSYS参数化语言建立考虑螺纹的三维螺栓连接有限元模型,用降温法加载预紧力,进行螺栓连接横向振动瞬态分析;研究横向激励幅值、初始预紧力、螺纹啮合面、螺栓头及螺母承压面以及连接物之间结合面的摩擦因数等对螺栓连接自松弛影响。结果表明,横向振动时完全滑移先发生于螺纹啮合面处;横向激励幅值越小、初始预紧力越大、螺纹啮合面及螺栓头、螺母承压面摩擦因数越大,螺栓连接自松弛越不易发生;激励幅值一定时连接物间结合面摩擦因数对自松弛无影响,但摩擦因数越大,发生横向振动所需剪切载荷越大。研究结果对理解螺栓连接自松弛、指导防松设计具有重要意义。     

压力容器法兰螺栓预紧力计算方法研究

压力容器设计中大多会用到螺栓法兰连接结构,而不同的标准体系对螺栓预紧力的计算方法各有不同.本文通过对比分析国标、欧标和美标体系对法兰螺栓预紧力计算方法的特点,结合工程经验将国标和美标的计算方法进行糅合,形成了一套便于工程应用的螺栓预紧力计算方法.     

基于ABAQUS软件的螺栓连接疲劳行为及寿命预测

利用有限元分析方法,对螺栓连接在疲劳载荷下的行为和疲劳寿命进行预测。首先,基于ABAQUS软件建立了详细的搭接疲劳结构有限元模型,采用Johnson-Cook本构模型描述材料的弹性和塑性行为,以提高仿真结果的准确性,通过加载不同的预紧力、载荷幅值和载荷频率,对单螺栓和多螺栓搭接结构进行了疲劳仿真试验,并验证了模型的有效性。结果表明：适度增加预紧力可显著延长螺栓的疲劳寿命,高频疲劳载荷会导致材料在较短时间内经历大量应力循环,加速疲劳损伤累积,显著缩短螺栓的疲劳寿命;对于多螺栓搭接结构,由于载荷在多个螺栓之间均匀分布,单个螺栓的应力集中效应减小,整体结构刚度提高,微动磨损减少,从而延长了其疲劳寿命;螺栓连接的疲劳损伤主要集中在螺杆中部、螺纹处及螺栓头部与杆部的过渡区域,这些高应力集中区域是疲劳裂纹萌生和扩展的主要位置,最终导致螺栓连接结构发生断裂。     

带衬套复合材料螺栓连接力学性能

对带衬套和不带衬套的玻璃纤维复合材料圆头螺栓连接件进行了拉伸试验,获得了试件的位移-载荷曲线及失效模式,研究了复合材料螺栓连接性能。在Chang-Lessard准则基础上考虑了面外的失效形式编写了相应损伤程序,基于ABAQUS对复合材料层合板螺栓连接件进行了强度计算及渐进损伤分析。结果表明：采用UMAT损伤子程序可以准确地预测破坏载荷及模拟层合板失效模式;衬套的引入能够提高层合板的极限破坏载荷,本文中A-1 (带衬套)与A-3组(不带衬套)相比提高了21.5%,A-2(带衬套)与A-4组(不带衬套)相比提高了13.1%;过盈量的增加使层合板刚度变大,但对破坏载荷影响不大。     

螺栓连接框架结构的有限元模型修正

综合运用有限元仿真、试验模态测试和模型修正技术,对一个由螺栓连接的三层框架结构进行了动力学特性分析和响应预测,并对其中涉及到的相关问题进行了讨论。首先,采用不同类型单元分别建立结构的实体有限元模型、板-梁有限元模型以及三自由度集中参数模型,并进行模态计算。然后,对实际结构进行模态测试,并将三类模型的计算结果与测试数据进行对比,分析不同类型单元所建立模型的异同以及由螺栓连接的复杂性、加工装配的误差和材料参数的不准确等不确定因素对建模及计算误差所造成的影响,从而确定合理的修正参数。接着,用模态测试数据对模型参数进行修正,使得修正后的模型能够准确反映实际结构的固有频率和振型。最后,将测试获取的阻尼参数加到修正后的模型上,进行冲击激励下的响应预测,并与实际结构的测试结果进行对比,取得了满意的结果。     

Influence of the Interfacial Pressure Distribution on Loosening of Bolted Joints

Abstract: Bolted joints are used throughout industry as a method for fastening components together. Sometimes the joints can be safety critical and the consequences of loosening catastrophic. The work outlined in this article initially uses a focusing ultrasonic approach to study pressure distributions in a bolted joint at different torque levels and using a variety of washer designs. The spread of the contact pressure is very important as it is used directly in joint design to determine their structural integrity. Analytical models exist to predict the spread, but very little actual measured data. The results showed clear differences in spread and magnitude of the pressure between the washers enabling their performance to be ranked. In the second part of the work, contact ultrasound transducers were used to investigate the effects of cyclic loading on joints and to assess whether the technique would be suitable for use in condition monitoring. The results indicated that the technique was viable with distinct changes in contact pressure recorded after the loading.     

复合材料层合板多钉连接结构累积损伤过程可视化仿真模拟

建立了分析复合材料层合板多钉连接结构的三维有限元模型, 考虑了接触状态非线性和累积损伤过程非线性的影响, 运用ANSYS 中的APDL 编制程序实现了对复合材料层合板机械连接结构整个承载过程的可视化仿真模拟, 同时进行了T300/ Q Y9512 复合材料层合板多钉单剪拉伸试验。结果表明, 在一定几何尺寸下, 复合材料层合板多钉连接结构钉载分配的不均匀性在整个承载过程中并无明显改善。根据本文中提出的累积损伤模型对各孔位变形进行了计算, 计算结果与试验结果吻合较好。从累积损伤过程的仿真结果可以明显看出, 不同几何尺寸的多钉连接结构中各钉孔附近损伤的起始和发展过程具有明显的区别。优化设计结果表明, 不同钉孔处层合板厚度的改变对各钉钉载分配无明显影响, 但孔边法向和切向应力大小和分布均受到严重影响, 对整个多钉连接结构的损伤程度产生很大变化。      

三维六向编织复合材料单剪搭接连接结构在拉伸载荷下的力学性能

通过试验测试与数值模拟相结合的方法对三维六向编织复合材料的螺栓连接性能进行了研究。首先,通过拉伸试验对不同侧向约束螺接方式连接件的连接强度进行了测试。测试结果表明:单搭连接结构的二次弯曲现象明显,连接强度与侧向约束有一定的关系,使用垫片可有效提高连接强度,螺栓拧紧力矩增加对连接强度影响不大;连接结构的破坏模式包括挤压破坏和拉伸破坏,在孔径较小时其主导破坏模式是挤压破坏。随后,基于测试中发现的破坏模式,建立了基于点应力准则的分析模型,并使用升温法实现螺栓拧紧力矩的施加。通过数值结果与试验结果的比较验证了分析模型的可靠性。最后,利用得到验证的分析模型,分析了单搭连接的二次弯曲现象,获得了侧向约束面积、螺栓拧紧力矩及连接平板厚度对单搭单螺栓连接结构力学性能的影响规律。分析结果表明:当侧向约束应力增加时,连接强度表现为先增加后降低的规律。     

基于孔变形的复合材料连接件疲劳性能分析

在复合材料的实际应用中,以装配组件或紧固件失效作为复合材料螺栓连接失效的判定准具有极大的风险性。在分析复合材料疲劳损伤发展特点的基础上,本文提出了一种基于连接孔变形的螺接结构疲劳寿命预测方法,并以碳纤维复合材料双钉单剪及单钉双剪连接拉-拉疲劳性能实验数据对模型进行了验证。结果表明：连接孔的变形量能很好地反映连接结构疲劳损伤的发展过程,本文所提的疲劳寿命预测模型的最大误差不超过−3.62%,装配间隙的存在可导致连接件疲劳寿命下降高达64.8%。