单螺栓联接结构接触状态转变及接触应力分布.pdf

收稿日期 基金项目 安徽省高等学校自然科学研究项目()安徽省省级课程类建设项目()作者简介 侯培海()男安徽合肥人安徽新华学院智能制造学院副教授/高级工程师硕士主要从事机械强度设计及疲劳寿命预测研究:./.单螺栓联接结构接触状态转变及接触应力分布侯培海(安徽新华学院 智能制造学院安徽 合肥)摘 要基于接触滑动理论建立单螺栓搭接板有限元分析模型对结合面接触状态的转变及接触应力的分布进行研究 研究发现螺栓预紧力作用下接触应力分布在螺孔周围同时连接表面发生微动现象 随着横向载荷的施加结合面由黏着状态逐渐转变为滑动状态当摩擦力不足以抵抗横向载荷时螺栓结构开始松动螺孔一侧出现剪切应力并随着载荷逐渐增加 螺栓预紧力越大出现松动时的横向载荷越大松动时孔周应力增加关键词螺栓联接螺栓预紧力接触应力滑动理论中图分类号 文献标识码 文章编号()普通螺栓联接结构依靠被联接件之间的摩擦力传递载荷当仅承受横向载荷时在被联接件接触区域易发生滑移松动松动是螺栓联接结构的主要失效形式许多工程事故与螺栓联接的松动失效有关围绕螺栓联接结构松动过程及影响因素国内外学者已经进行了大量有益研究 江文强和墨泽建立双层螺栓联接结构通过仿真分析研究螺栓联接结构的能量滞回曲线及螺纹接触状态的变化规律 等研究发现在交变载荷作用下接触面的摩擦降低了螺栓的预紧作用导致螺母发生转动进而产生松动 等通过试验发现随着载荷的持续作用接触面间的磨损颗粒会堆积在一起使得轴向力出现逐渐减小趋势 和 等研究发现在螺纹接触部位存在稳定黏着、部分黏着和无黏着等三种状态只有当接触面仅存在无黏着状态时才会发生松动 等研究发现当螺栓联接结构承受过大的横向载荷时联接板接触面的材料会发生屈服失效进而导致整个结构的松动 徐耀康等和 等研究温度对螺栓联接结构性能的影响发现随着温度升高及时间的增加螺栓材料会出现应力松弛现象造成接触面松动的加剧 笔者在前人研究的基础上建立单螺栓联接结构的搭接模基于接触滑动理论借助计算机仿真技术研究单螺栓联接结构接触状态转变及接触应力分布 通过试验对比验证有限元模型的合理性和有效性随着横向载荷的逐步施加深入探讨接触面由黏着到滑动的微动变化行为接触应力分布范围及数值的转变进而研究螺栓联接结构的松动过程 初始滑动模型的构建 横向载荷作用下的滑动问题螺栓联接结构进行微动疲劳试验时联接板除受到预紧力的法向载荷外还受到横向交变载荷的作用 此时接触面上的应力分布将由于横向载荷的作用而发生变化 和 对该情况进行分析给出此时接触面上应力分布的解析解横向载荷为零时接触区的法向接触压力的分布满足 公式 但是由于远端载荷的影响接触区的中心会偏移一个小量 即此时接触中心的坐标为 此时的接触应力分布为 年 月山东石油化工学院学报.第 卷 第 期 .()().()().()()().()式中 为接触中心距离螺栓孔中心的距离为黏着区半径 为滑动区半径为接触区的最大压力 为接触点距离螺栓中心的距离 为接触面摩擦系数因为在黏着区无滑动因此两弹性体接触区表面的应变相等即.()对于不受远端载荷作用弹性接触体接触表面的应变为()()()()()().()式中 为泊松比 为材料弹性模型为远端载荷对于受远端载荷作用弹性接触体接触表面的应变需要将远端载荷的作用考虑在内即()()()()()().()将式()与式()相减得()()().()联立式()、式()、式()可得().()要使该等式成立必须满足.()()().()因此最终结果()().()有限元模型为研究螺栓联接结构的松动过程建立单螺栓联接结构有限元模型 螺栓、螺母型号为 材质弹性模量 泊松比为 被联接件材质为铝合金弹性模量 泊松比为 尺寸为:螺栓孔为通孔孔中心距离端部为 孔与螺栓无干涉安装 为了最大程度的模拟螺栓联接结构的力学行为及应力状态在联接板之间、联接板与螺栓之间建立摩擦接触对为简化计算摩擦系数取 有限元模型如图 所示图 螺栓联接结构有限元模型 模态分析为验证所建模型的有效性对结构进行自由模态分析并与试验结果进行对比(表)表 有限元分析与试验数据对比阶数振型实验值/有限元/误差/通过有限元分析与试验结果的对比可以发现结构前三阶振型一致振动频率接近最大误差为 表明所建有限元模型符合实际工况满足后续分析要求 螺栓联接结构松动过程仿真 分析载荷步对载荷步进行分析第一步施加螺栓预紧力螺栓预紧力为 第二部施加横向拉伸载荷载荷大小为 结果与讨论 接触状态的变化图 给出了接触面接触状态的变化图图 给出了接触面滑移量的变化趋势图 由图 可知随着拉伸载荷的增加滑移区域逐渐增加当横向拉伸载荷达到 时接触区域几乎都是滑移区这说明整个螺栓联接结构不能很好通过摩擦力传递载侯培海:单螺栓联接结构接触状态转变及接触应力分布图 接触区域接触状态变化图 接触区域滑移量变化第 卷 山东石油化工学院学报 年 第 期荷螺栓联接结构出现松动载荷只能通过螺栓的剪切进行传递 由图 可知滑移量随着载荷的增加而不断加大 有限元分析结果表明螺栓预紧力使得被联接件处于压缩状态根据圣维南定理预紧力只能影响周围的一定区域因此图中黏着区域仅存在于螺栓孔边缘 大部分的横向载荷通过摩擦力进行传递并被分散到螺孔边缘的圆周区域内进而导致接触状态的改变 当横向载荷增加到一定程度时摩擦力无法抵消横向载荷时接触面处于全面滑移状态 接触应力的分布图 为螺栓、联接板应力随预紧力的变化曲线图图 为螺栓、联接板应力随横向载荷的变化曲线图 由图 可知第一个载荷即螺栓预紧过程中螺栓及联接板应力随预紧力的增加而增加基本呈线性分布第二个载荷即螺栓紧固后在横向载荷作用下螺栓及联接板应力随横向载荷变化趋势开始时基本保持不变这表明螺栓联接结构一直处于紧固状态没有出现松动 在横向载荷达到 时螺栓及联接板螺孔应力逐渐开始增大这表明接触区域边缘开始出现滑动螺栓及螺孔出现剪切应力载荷进一步增加剪切效应加剧螺孔一侧出现明显应力集中现象 图 为预紧力作用下螺孔周围接触应力分布图图 为松动后螺孔周围接触应力分布图图 螺栓、联接板应力随预紧力变化曲线图 螺栓、联接板应力随横向载荷变化曲线 预紧力对孔周应力的影响为研究预紧力对孔周应力的影响设置 组预紧力分别为 、并施加 的横向载荷 表 为不同预紧力下螺栓联接结构松动时横向载荷表图 为不同预紧力下孔周应力随横向载荷的变化曲线图 由图 可知在没有施加横向载荷时孔周应力随预紧力的增加而增加基本呈线性分布螺栓联接结构在没有松动前孔周应力基本保持不变横向载荷由板间摩擦力承担当摩擦力不足以抵消横向载荷时螺栓联接出现松动接触状态由黏着变为滑移此时摩擦力消失横向载荷由螺栓孔承担孔周应力突然增加预紧力越大松动时横向载荷越大(表)图 预紧力作用下螺孔周围接触应力分布图 松动后螺孔周围接触应力分布图 不同预紧力下孔周应力随横向载荷的变化表 不同预紧力下松动时横向载荷预紧力/横向载荷/侯培海:单螺栓联接结构接触状态转变及接触应力分布 结 论()螺栓预紧力作用下接触应力分布在螺孔周围的圆环区域内区域大小不随预紧力的改变而变化同时连接表面发生微动现象()横向载荷通过摩擦力进行传递并被分散到螺孔边缘的圆周区域内当横向载荷增加到一定程度时摩擦力无法抵消横向载荷时接触面开始由黏着状态转变为滑移状态()横向载荷作用下螺栓联接开始松动螺栓及螺孔出现剪切应力载荷进一步增加剪切效应加剧螺孔一侧出现明显应力集中现象()不同预紧力作用下预紧力越大螺栓联接松动时横向载荷越大接触状态由黏着转向滑动螺栓孔出现剪切效应孔周应力突然增大参考文献 陈跃良郁大照杨茂胜等.含多处损伤搭接结构应力强度因子有限元分析.航空学报():.杨雪春卢怀亮黄树槐等.螺栓的冲击载荷分析.机械强度():.董登科王俊孔繁杰.紧固孔原始疲劳质量控制与制孔技术研究.机械强度():.江文强墨泽.横向载荷作用下螺栓连接松动过程仿真研究.计算机仿真():.():.:.():.徐耀康.法兰螺栓的高温应力松弛.炼油技术与工程():.():.:.林炜彦.单搭接单螺栓连接板的力学特性研究.南昌:南昌航空大学.责任编辑董大伟第 卷 山东石油化工学院学报 年 第 期