螺纹联接件的微动损伤研究

从试验和数值分析两个方面研究了螺栓预紧力矩对ＬＹ１２ＣＺ铝合金双盖板对接螺纹联接件微动损伤的影响。在高频疲劳试验机上进行了微动试验,对接触表面间的微动损伤状况进行了观察分析。     

法兰螺栓横向微动磨损试验研究

为了研究法兰联接螺栓在横向振动的松动机理,借助于横向振动疲劳试验机进行模拟紧固件横向微动磨损试验,进而观察螺栓联接在不同的横向载荷与频率作用下预紧力与预紧力矩衰退过程,并测量其磨损量和表面损伤情况。实验结果表明:螺栓预紧力下降分为两个阶段;实验初期预紧力下降迅速的塑性形变阶段和预紧力下降缓慢的微动磨损阶段。预紧力矩下降分为三个阶段:第一阶段由于较高的局部接触应力,预紧力矩下降不明显;第二阶段由于塑性形变扩大,预紧力矩迅速下降;第三阶段螺栓进入微动磨损阶段,预紧力矩开始缓慢下降。螺栓在低频振动下,质量变化量对于频率微小的变化不敏感。螺栓与夹具接触的表面磨损情况随着交变幅值载荷增加而增加;随着频率的增加而减小。     

扭矩对钢轨接头螺栓疲劳寿命的影响分析

钢轨接头螺栓的疲劳失效与断裂使铁路运输的可靠性、安全性下降,是阻碍高速铁路发展的重要因素.因此,研究钢轨螺栓的疲劳性能具有重要的现实意义.首先通过预紧力矩与预紧力的转换公式,把预加载的螺栓力矩转换成预紧力,研究了在不同预紧扭矩作用下,预紧扭矩对钢轨接头螺栓疲劳失效特性的影响;其次通过理论计算,选择出最佳螺栓扭矩.最后在钢轨接头螺栓的三维实体模型基础上,施加已计算出的最佳预紧扭矩,用ANSYS Workbench疲劳分析模块对螺栓进行疲劳寿命估算.以上研究都说明钢轨接头螺栓最大的变形发生在螺母与钢轨夹板接触处的第一圈螺纹牙处.     

掘进机转盘轴承螺栓连接可靠性试验

转盘轴承作为掘进机的重要部件,其连接可靠性直接影响设备整体性能及施工效率。通过对掘进机转盘轴承螺栓断裂状态及裂纹变化趋势的分析认为螺栓松动而无法为被连接件提供有效的预紧力,在掘进机截割过程产生的交变作用力下发生疲劳断裂是螺栓断裂的原因。采用试验的方式,分别从螺栓应变、螺栓预紧力矩以及拧紧工艺等方面对转盘轴承螺栓的拧紧过程进行详细的分析,并根据故障原因给出了提高拧紧力矩,实行快速拧紧和采用施必牢螺纹的解决方案,彻底解决了转盘轴承螺栓断裂问题。     

风力发电机叶根螺栓的疲劳分析

为保证风力发电机螺栓套预埋式叶根连接既不会在最大载荷下发生静强度断裂,也不会在循环载荷下发生疲劳破坏,在设计叶根时,需要进行螺栓疲劳分析。建立叶根螺栓的有限元模型,对叶根螺栓进行疲劳计算,得到叶根螺栓外部载荷与应力之间的关系曲线,进而通过疲劳损伤计算程序得到螺栓的疲劳损伤值,确认不同预紧力对叶根螺栓疲劳损伤的影响。     

固体火箭发动机夹具力矩计算方法的研究

固体火箭发动机在进行径向振动试验时,通常通过上、下弧座固定在振动台面上,若对弧座连接螺栓预紧力的施加不合理,则会对发动机造成不同程度的损伤。从固体火箭发动机安装弧座连接螺栓的预紧力开始分析,研究了一种螺栓最大拧紧力矩、最小拧紧力矩的计算方法,提出推荐拧紧力矩,并通过某型号固体火箭发动机振动试验实例验证了该方法的可行性。为固体火箭发动机径向振动试验提供了一种可参考的螺栓拧紧力矩确定方法,且对于今后的发动机径向夹具设计具有重要的指导意义。     

横向交变载荷作用下三种涂层螺栓的防松性能

选用二硫化钼涂层和碳化钨涂层对45钢螺栓进行表面处理,通过横向振动试验研究横向交变载荷作用下螺栓连接结构的松动行为,并与常用的电镀锌涂层螺栓进行对比分析,讨论3种涂层螺栓的防松性能。利用扫描电子显微镜和电子能谱仪分析试验后螺纹表面损伤形貌及化学成分,揭示螺纹表面的磨损机制。试验结果表明：二硫化钼涂层螺栓螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损和氧化磨损,碳化钨涂层和电镀锌涂层螺栓螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损;相同预紧力或等效应力条件下,二硫化钼涂层螺栓因其界面摩擦因数低,防松性能较差,碳化钨涂层螺栓因其表面耐磨性能优异,防松性能最好;相同预紧力矩条件下,二硫化钼涂层螺栓因预紧力高,防松性能最好,碳化钨涂层螺栓次之,电镀锌涂层螺栓最差。     

螺栓联结结构接触半径有限元模拟

螺栓联接结构接触半径的确定对接触面应力分析及接触面密封特性研究具有实际意义。采用有限元法,计算了螺栓预紧力、联接件的材料与厚度比等因素对接触半径的影响,通过与实验结果对比分析,验证了所用有限元方法计算接触半径的正确性和准确性。研究表明:在联接件材料的弹性极限范围内,当联接件的材料、厚度比相同时,接触半径随着螺栓预紧力的增加而减小;在相同预紧力下,当联接件的厚度相同时,接触半径随着材料弹性模量、泊松比的增加而增大,且大于相同条件下联接件厚度不同时的接触半径;当联接件的材料相同时,接触半径随着联接件厚度的增加而增大。     

TC16钛合金螺栓及其连接30CrMnSiA钢板孔的疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制装置进行疲劳试验,研究了TC16钛合金螺栓连接30CrMnSiA高强度钢板结构的疲劳破坏行为,并通过扫描电镜(SEM)和有限元分析法分析了钢板和钛合金紧固件的失效机理。结果表明:30CrMnSiA高强度钢板件用TC16钛合金紧固件连接时在外加拉-拉疲劳载荷下,其疲劳破坏属于微动疲劳,寿命较带自由孔30CrMnSiA钢板件的常规疲劳寿命下降约60%,脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板结构在拉-拉疲劳载荷下,钛合金螺栓由于弯曲疲劳作用发生弯曲疲劳断裂,而非微动疲劳破坏。TC16钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理有利于改善30CrMnSiA高强度钢连接板的微动疲劳性能。然而,钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理由于韧性降低的缘故,却导致其常规弯曲疲劳抗力明显下降。     

拧紧策略及其对螺栓预紧力影响研究

随着飞机结构越来越多地采用整体机加件和复合材料构件,螺栓在主承力结构的连接中起着尤为重要的作用。螺栓拧紧在螺栓连接中是最为重要的环节,拧紧过程中产生的轴向力使螺栓被拉长,被连接件被压缩,而这个轴向力就是预紧力,预紧力作为螺栓拧紧中最为关键的因素,对螺栓连接的可靠性、结构力学性能和疲劳寿命有着非常显著的影响。现常采用扭矩法对螺栓进行拧紧,其中预紧力是通过拧紧扭矩转化得到,该过程受摩擦系数影响显著,而拧紧工艺参数亦会影响摩擦系数,使得预紧力与拧紧力矩的转化关系更加复杂。对不同的拧紧方法进行了比较的同时,发现不同拧紧方法对于预紧力的影响不尽相同,对于预紧力的控制也不尽相同。研究拧紧方法、拧紧工艺参数对拧紧力矩-预紧力转化关系的影响,对于精准获得所需的预紧力有积极的作用。因此,就国内外拧紧策略及其对预紧力影响的研究现状进行综述,主要涉及拧紧方法、拧紧方法对预紧力的影响、拧紧工艺参数对预紧力的影响等三个方面。     

Longevity enhancement of bolted joints for aircrafts

New designs of bolted joints with bolt countersunk heads having high longevity in comparison with the used ones were proposed. One type of joint has the bolt heads with the reduced surface taper of the bolt head and in a joined part. Two other types have a spherical head surface, which is in contact with a tapered countersink surface. The rise in the fatigue life is achieved owing to the balance of the radial tension along the contact surfaces of the head and the countersink. Designs of a washer from the direction of a nut are proposed. These washers have ring bulges of wedge-shaped cross section that form areas of plastic deformations around a bolt body during the bolt tightening and reduce the concentration of contact stresses close to an edge of the contact surfaces of the bolt and joined parts. Procedures of fatigue tests were developed. Results of tests of the proposed bolted joints supporting their high longevity are presented. Findings of experimental investigations verify the efficiency of the application of proposed types of bolted joints in the designs of aircrafts.     

Loosening Evaluation of Bolted Joints Modified by Fine Particle Bombardment under Transverse Cyclic Loading

ABSTRACT

The objective of this article is to evaluate the loosening behavior of bolted joints modified by fine particle bombardment (FPB) under transverse cyclic loading. FPB treatment was conducted to thread surfaces of both the bolt and the nut. Self-loosening experiments were then performed on the bolted joint with high, medium, and low preload using a fatigue testing machine. The test results show that fretting wear occurs at the thread surface under transverse cyclic loading, which leads to gradual self-loosening of bolted joints without the rotation of the nut. FPB treatment alleviates thread wear by increasing the surface hardness and reducing the friction coefficient between threads, thereby improving the anti-loosening ability of bolted joints. After FPB treatment, the bolted joints with a lower preload exhibited a greater relative improvement in anti-loosening ability than those at a higher preload.     

高温下螺栓-法兰-垫片系统密封性能研究

温度和内压载荷对螺栓法兰连接的密封性能有着显著的影响。采用有限元技术,对DN100mm,PN40 MPa的管法兰连接进行了热及结构分析,探讨了高温稳态工况下法兰、垫片和螺栓的温度分布,分析了预紧、加压和升温后的螺栓以及垫片的应力变化。结果表明,法兰、螺栓以及垫片沿径向存在温度梯度;内压作用后垫片应力明显降低;升温后垫片外侧应力减小,内侧应力增大;加压及升温后螺栓应力均增大。     

加载方式对垫片应力的影响及其泄漏率预测

垫片是螺栓法兰连接系统中的关键密封元件，在实验室对其进行泄漏率测量时，多采用刚性法兰通过试验机进行均匀加载，而忽略了生产实际中螺栓加载方式对泄漏率的影响。采用数值模拟方法研究实际操作常用的交叉加载、顺次加载和ASME PCC-1-2013标准中传统星形加载方式对垫片应力的影响，并将这3种加载方式与均匀加载方式进行比较。结果表明：3种加载方式都存在着螺栓预紧载荷不均匀的情况，但相比之下传统星形加载方式的预紧效果最佳，最接近均匀加载时的预紧效果；在相同载荷下，不同加载方式所得垫片上的应力不同。考虑垫片应力分布的不均匀性，对现有泄漏率预测公式进行了修正，并通过试验对修正后的公式进行验证。结果表明：修正后的公式所预测的泄漏率与试验结果更为接近。研究工作对提高螺栓法兰连接系统泄漏率预测的准确性具有重要意义。     

Bolted joint torque setting using numerical simulation and experiments

In vehicle design process, the torque setting for a bolted joint is mainly determined based on hardware tests. For a newly designed joint of a vehicle, making prototypes and performing tests is expensive and time consuming. Numerical simulation can help predict joint behavior and detect potential failure modes prior to hardware testing. This study developed a numerical simulation using the finite element method to set the installation torque for a joint based on torque-angle signature curves. A three-dimensional detailed model of the joint was constructed. Then, finite element dynamic simulation was used to simulate the installation process of the bolt by gradually applying a torque until the bolt failed. Using these simulations, the torque-angle curves were generated and were used to determine the installation torque of the joint. This was different from the majority of earlier approaches which mainly used hardware tests, two-dimensional or three-dimensional simplified models, and static analyses instead of dynamic analyses. Material nonlinearity and contact were used in the study to capture the joint failure and contact conditions. For comparison, experiments were conducted. The study showed that the finite element analysis accurately predicted the bolt behavior. These results show that numerical simulation can be used to determine torque settings analytically, and can be developed as a standard practice for determining joint torque when designing vehicles.     

法兰密封系统螺栓加载方式试验研究

均匀的螺栓载荷对法兰密封性能有极为重要的意义,由于螺栓间存在弹性交互作用,采用扭矩增量控制法按一定加载顺序加载才能降低螺栓载荷离散程度。试验研究了ASMEPCC-1传统的加载方法（LEGACY方法）和JISB2251加载方法在DNl00法兰8螺栓结构中的加载规律,以及载荷渐增顺次螺栓加载方法。采用应变片和应变仪实时监测螺栓载荷,采用力矩扳手加载。结果表明,ASME传统加载方法较为繁琐,JISB2251加载方法效率高且不易出错;以扭矩增量控制法顺次加载也能获得均匀的螺栓载荷;在保证充足预紧轮次的情况下,加载方式对最终螺栓载荷的离散程度影响不大,最后以目标载荷顺次加载几轮非常有必要。     

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%。     

锥面弹性衬套无键联接承载能力及压入力的计算

针对锥面弹性衬套无键联接传动的特点，进行了受力分析和承载能力计算。根据结合面的压强计算了压入衬套所需的最小压入力，并依此确定紧固螺钉的数量，以确保压牢衬套，满足传递扭矩的需要。     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。