复合材料螺栓连接预紧力松弛的温度-时间依存行为

针对碳纤维增强环氧基复合材料机械连接结构耐久性设计中的2个关键问题:黏弹性预紧力松弛的温度-时间依赖行为及其长期性能预测方法进行研究。建立了以蠕变全应变理论为基础的预紧力松弛预测模型。36 h的恒温耐久试验表明:初始预紧力越大,温度越高,连接件预紧力松弛速率越快;复合材料连接件的松弛速率远大于金属连接件;预紧力松弛主要表现为材料蠕变过程。对比短期试验结果表明:本模型能较好地实现对不同温度、预紧力和连接材料的松弛预测,为确立试验数据的外推方法提供了依据。      

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。     

以聚四氟乙烯为密封件的法兰结构低温密封性能研究

利用法兰-密封件-螺栓密封结构密封性能测试实验台,针对常温和-196℃低温温区,对聚四氟乙烯密封圈密封性能的影响因素开展了实验研究,着重探讨了螺栓预紧力矩、工作压力及温度对其密封性能的影响情况。结果显示:在固定预紧力矩下,随着工作压力的不断升高,该密封结构在常温和-196℃两个温区都会出现泄漏临界压力点,并且临界压力与单位面积密封圈上预紧力之间均呈现较好的线性关系;在相同的螺栓预紧力下,该密封结构在低温下的临界压力低于常温下的临界压力,说明聚四氟乙烯密封性能常温优于低温。     

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。     

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。     

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。      

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。     

法兰连接爆炸冲击动力响应分析数值模拟

运用LS-DYNA非线性有限元软件,建立了法兰连接结构的三维有限元模型,使用罚函数法实现了法兰盘-螺栓连接-法兰垫的非线性耦合作用,利用温度荷载法实现了螺栓连接结构的预紧力加载,采用ALE多物质流-固耦合算法研究了法兰连接结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性,分别研究了法兰连接在爆炸冲击荷载作用下冲击波入射角、螺栓连接预紧力、法兰垫厚度对其结构的影响,并考虑了垫片为金属材料(合金钢)以及非金属材料(橡胶)时的情况。结果表明,法兰盘为法兰连接的主要耗能构件。合金钢法兰垫片受冲击波入射角的影响较小,而螺栓连接则主要受冲击波入射角的影响。法兰盘在高压压缩波的作用下会产生相对于螺栓连接的不均匀压缩变形。厚垫片并非比薄垫片好,适当减小法兰垫片厚度,可以提高法兰结构的抗冲击能力。     

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。     

含螺栓连接转子系统非线性振动特性研究

针对航空发动机转子大量采用的螺栓法兰连接,建立了连接结构的力学模型,定性给出了两段转子在相对弯曲时连接部位弯矩的分段线性参数化模型。应用状态空间理论和数值计算方法对一个含螺栓连接的转子系统进行了数值模拟,研究其模态特性和稳态动力学响应。研究表明,分段线性变化连接刚度对中转速段尤其是二阶临界转速附近的模态和稳态动力学响应产生较大影响,而转子系统在低速段和高速段保持相对稳定的、可线性化的运动。分析了预紧力对转子运动特性的影响,发现预紧力对转子系统运动稳定性影响显著,在一定范围内增大预紧力会使系统不稳定加剧,但会缩短不稳定运动的区间范围。     

压电驱动器可控预紧力主轴设计及性能分析

可控预紧力主轴能够满足高速主轴在整个切削转速范围内热、动特性兼优的要求，已逐步成为智能主轴的重要发展方向。为弥补压电驱动器（piezoelectric actuator, PEA）可控预紧力主轴设计及选型方面的不足，提出一种具有分辨率高、响应快、对切削刚度影响小及结构紧凑等优点的PEA可控预紧力主轴结构。建立了静止状态和运行状态下的角接触球轴承刚度模型，并以此为基础建立了PEA可控预紧力主轴的等效力学模型，得到了预紧机构负载刚度随预紧位移的变化规律。然后，分析了PEA的输出特性，建立了预紧机构的实际输入输出模型，并通过该模型分析了初始预紧力和PEA刚度对预紧力控制区间的影响规律，进而提出了预紧机构设计选型原则。最后，应用提出的主轴结构和预紧机构设计选型原则设计了PEA可控预紧力主轴试验台。试验结果表明预紧力控制分辨率为1.5 N，阶跃响应时间为300 ms，验证了所建预紧机构实际输入输出模型的准确性；温度控制试验结果表明该主轴试验台具有良好的温度调控能力。研究结果可为实际工程中PEA可控预紧力主轴的设计提供指导。     

Nonlinear elasticity imaging: theory and phantom study

In tissue the Young's modulus cannot be assumed constant over a wide deformation range. For example, direct mechanical measurements on human prostate show up to a threefold increase in Young's modulus over a 10% deformation. In conventional elasticity imaging, these effects produce strain-dependent elastic contrast. Ignoring these effects generally leads to suboptimal contrast (stiffer tissues at lower strain are contrasted against softer tissues at higher strain), but measuring the nonlinear behavior results in enhanced tissue differentiation. To demonstrate the methods extracting nonlinear elastic properties, both simulations and measurements were performed on an agar-gelatin phantom. Multiple frames of phase-sensitive ultrasound data are acquired as the phantom is deformed by 12%. All interframe displacement data are brought back to the geometry of the first frame to form a three-dimensional (3-D) data set (depth, lateral, and preload dimensions). Data are fit to a 3-D second order polynomial model for each pixel that adjusts for deformation irregularities. For the phantom geometry and elastic properties considered in this paper, reconstructed frame-to-frame strain images using this model result in improved contrast to noise ratios (CNR) at all preload levels, without any sacrifice in spatial resolution. From the same model, strain hardening at all preload levels can be extracted. This is an independent contrast mechanism. Its maximum CNR occurs at 5.13% preload, and it is a 54% improvement over the best case (preload 10.6%) CNR for frame-to-frame strain reconstruction. Actual phantom measurements confirm the essential features of the simulation. Results show that modeling of the nonlinear elastic behavior has the potential to both increase detectability in elasticity imaging and provide a new independent mechanism for tissue differentiation.     

基于空间轴承寿命预测的预紧力优化分析

以航天机构中的精密轴系为研究对象,构建了空间轴承寿命预测的数学模型,提出适宜于固体润滑轴承初始预紧力优化的方法,为其预紧力的设计和选择提供理论指导。基于滚动轴承的运动学、拟静力学和Archard磨损模型,综合考虑支撑刚度和润滑膜抗压极限强度要求,确定了预紧力的许用范围。以使用寿命最长为优化目标,优化了空间轴承71807C的初始预紧力。研究结果表明:空间轴承初始预紧力的选择范围为70 N~200 N;在磨损过程中,磨损深度和残余预紧力相互影响、相互作用;基于使用寿命最长的优化目标,优化得到156 N的初始预紧力为精密轴系组件的最优预紧力,并探究了不同预紧力下空间轴承的失效机理。     

Impact behaviour of preloaded glass/polyester woven plates

In this work, the effect of a biaxial preload in the behaviour of glass/polyester woven-laminate plates subjected to high-velocity transversal impact was studied. For this, an analytic model based on energy considerations that include the presence of an in-plane preload was used. The results of the analytic model for the biaxial preload state were compared with those found for a non-preload plate, the difference between them being minimal for the pre-stressed level reached in the tests (31% of the static UTS). Therefore, numerical simulations were made in order to study the effect of the preload in greater detail; furthermore, experimental tests were conducted, validating the analytic and numerical model. In general, the two methods revealed minimal differences between the values of the ballistic limit and those of the residual velocity.     

振动环境下过盈装配圆柱结构预紧防转判据研究

在振动环境下过盈装配圆柱结构预紧防转判据研究中,以Mooney-Rivilin本构模型描述缓冲橡胶垫层,以库伦滑动假设描述界面接触滑动,在ABAQUS中计算获得了任选接触点处于压剪变形状态与摩擦滑动状态分界的位移边界,并由此定义了最小滑移偏心距作为预紧有效性的判据,即振动环境下相对运动幅值小于此偏心距,内外层之间将不会产生相对转动,预紧防转装配有效。数值仿真试验和基于单轴振动台的正交相差相对运动试验表明,只有当相对运动幅值超过一定量值时,才出现层间转动现象,验证了最小滑移偏心距判据的合理性。     

Stress Corrosion Cracking of X80 Pipeline Steel in Near-Neutral pH Environment under Constant Load Tests with and without Preload

Constant load tests in NS4 solution purged with N2-5%CO2 gas mixture were conducted on American Petroleum Institute (API) X80 pipeline steel applied in the 2nd West-East Gas Pipeline project with and without preload. The results show that cracks could initiate and propagate in X80 pipeline steel in near-neutral pH environment under a constant load condition. The life of crack initiation and propagation increased with decreasing applied stress. Preload did not change its corrosion behavior obviously. However, preload reduced the time for crack initiation.     

考虑预紧力与阀杆力的电动截止阀体应力分析

建立了有预紧力的截止阀有限元计算模型，阐述了预紧力单元的原理及分析方法，利用ANSYS程序对截止阀在考虑和不考虑螺栓预紧力及阀杆闭合力作用下的应力进行了计算。结果表明，法兰螺栓预紧力及阀杆闭合力对阀体应力的影响不可忽略。     

Analysis-oriented stress–strain model of CRFP-confined circular concrete columns with applied preload

The compressive behavior of FRP-confined concrete is a current issue in the field of structural retrofitting. The available models well predict the stress–strain behavior under monotonic and cyclic loads. However, in the practical applications, columns that need an increasing of bearing capacity are often strengthened under serviceability load conditions, with a stress and strain state that could change the response of the reinforced systems with respect to the case of the unloaded state. In this paper, the compressive behavior of circular FRP-confined concrete columns with preload is analyzed with the introduction of a modified analysis-oriented model. Differently from the classical formulations in which stress–strain model is aimed to the evaluation of the confinement capacity of non-preloaded elements in monotonic regime, the proposed model is also suitable for the determination of the combined response of unconfined and confined concrete subjected to an established stress/strain state in the unconfined state. The proposed model is also compared with the experimental results available in the literature under different assigned preloading levels.     

惯性载荷对高速角接触球轴承最优预紧力的影响分析

高速角接触球轴承拟静力学模型是轴承内部载荷分布的有效分析手段,是动力学分析的基础.对受轴向载荷的高速角接触球轴承的具体算例进行了求解计算,得出了不同转速下钢球与沟道接触力随预紧力的变化规律.计算结果表明:在低转速范围内,钢球与外沟道接触力随着轴向预紧力的增大而线性增大;随着转速的升高,该接触力会呈现非线性变化,表现出先减小后增大的变化趋势.对这一变化规律进行了详细的分析,并从接触疲劳寿命和陀螺转动摩擦生热的角度,提出了确定高速角接触球轴承最佳预紧力的双重约束条件,为高速角接触球轴承的设计与使用提供参考依据.