CN106768943A - 栓接结合部能量耗散特性测试装置、测试方法与建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种栓接结合部能量耗散特性测试装置、测试方法与建模方法，该测试装置包括力拉伸试验机、上试件、下试件、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机；上试件与力拉伸试验机的上夹具固定，下试件与力拉伸试验机的下夹具固定；上试件和下试件通过螺栓固定；螺栓内置应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；力拉伸试验机的力和位移分别通过力传感器和位移传感器送至信号采集系统；信号采集系统连接计算机，并将采集到的栓接结合部力、位移以及螺栓预紧力三者试验数据传送给计算机。本装置结构简单、装卸方便，易于重复试验，解决了栓接结合部迟滞非线性特性难以测试的问题。

Description

栓接结合部能量耗散特性测试装置、测试方法与建模方法

技术领域

本发明属于机械设计与制造领域，特别涉及一种栓接结合部能量耗散特性测试装置与建模方法。

背景技术

机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，螺栓连接是其中主要形式之一。通过螺栓连接的结构主要由结合面和螺栓连接两部分组成。由于结合面的非线性特性和螺栓连接因间隙、干摩擦、预应力和初始变形等因素产生的非线性，使得栓接结合部对整体结构动态性能影响很大，作用机理极其复杂。影响结合面动态特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：结合面材质、结合面的加工方法、结合面的加工质量、结合面的介质状况、结合面预紧力的大小、结合面的动载荷性质和大小、结合面间的相对位移性质、振动频率、螺栓连接等因素。

这么多的影响因素，再加之它们的影响规律又多为非线性，而且因素间又相互影响，从而无法以理论解析的方法直接确定它们的影响规律和影响程度的大小，必须通过实验研究的方法来予以解决。另外，由于螺栓的预紧可能是各种不同的力值。

为了测试栓接结合部能量耗散特性，系统地研究和探明栓接结合部能量耗散特性与其基本影响因素之间的关系，需要一套完整的测试装置与建模方法，而目前还没有相关测试栓接结合部能量耗散特性的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栓接结合部能量耗散特性测试装置、测试方法与建模方法，以解决上述技术问题。本发明设计螺栓连接试件，通过力拉伸试验机获得不同预紧力下栓接结合部能量耗散特性；利用基础实验数据和模型，测试栓接结合部能量耗散特性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

栓接结合部能量耗散特性测试装置，包括力拉伸试验机、上试件、下试件、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机；上试件与力拉伸试验机的上夹具固定，下试件与力拉伸试验机的下夹具固定；上试件和下试件通过螺栓固定；沿螺栓的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；力拉伸试验机上设有用于测量力拉伸试验机的力和位移的力传感器和位移传感器，动态应变仪、力传感器和位移传感器均连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机，用于将采集的螺栓预紧力、力拉伸试验机的力和位移数据传送给计算机。

进一步的，上试件与下试件结构尺寸相同，顶部设置多处凸起，将结合面分为互不相连的多个区域，上下试件顶部凸起相互啮合，使试件与力拉伸试验机在同一轴线上。

进一步的，螺栓为M16的10.9S级高强度螺栓。

进一步的，上试件和下试件为同种材料或异种材料。

进一步的，上试件和下试件间不加任何润滑介质。

进一步的，上试件与下试件顶部凸起的个数均为4个，凸体的主视图为等腰梯形或等腰三角形，以便于上、下试件间切向位移的产生。

栓接结合部能量耗散特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

首先将上试件与下试件通过螺栓相连；然后通过力拉伸试验机的下夹具将下试件夹紧，并确保在同一同轴度上，然后将上试件与力拉伸试验机的上夹具相连；调节螺栓，使预应力达到设定值，设置不同激振频率、相位和相位增角参数，进行力拉伸与压缩试验；分别提取力和位移试验数据，获取能量耗散特性曲线。

进一步的，多次试验，获取不同预紧力下栓接结合部的能量特性曲线。

一种获取栓接结合部能量耗散特性的建模方法，包括以下步骤：

1)建立栓接结合部法向接触载荷模型：

根据Hertz接触理论，单个微凸体法向接触载荷：

式中：R表示微凸体顶端等效曲率半径；E^*表示复合弹性模量，E^*＝[(1-υ₁ ²)/E₁+(1-υ₂ ²)/E₂]^-1，E₁、E₂和υ₁、υ₂分别表示栓接结合部中两连接材料的弹性模量和泊松比；σ表示微凸体表面高度的均方差值；z表示微凸体高度；d表示微凸体平均高度基准面与理想刚性平面之间的距离；

综合三角形分布和高斯分布，重新建立新的栓接结合部微观表面分布函数；

三角形分布函数

式中：a为底线，b为上线，c为众数；

根据高斯分布和三角形分布函数，可确定式(3)：

从而求得新的栓接结合部微凸体高度分布函数：

栓接结合部法向载荷：

式中：ηA₀表示微凸体的个数；A₀表示结合面名义接触面积；η表示微凸体的分布密度；

2)建立完全滑移时栓接结合部最大切向载荷模型

根据Coulomb摩擦理论

式中：μ_f表示摩擦系数；

3)建立部分滑移时栓接结合部切向载荷模型

①加载过程

在加载过程中出现两种运动状态即滑移与粘着，单一微凸体的切向载荷：

式中：z₀表示微凸体临界高度，z₀＝d+4G^*δ/(μ_fE^*)；G^*表示复合剪切模量，G^*＝[(2-υ₁)/G₁+(2-υ₂)/G₂]^-1，G₁和G₂表示两连接材料的剪切模量；δ表示栓接结合部切向位移；

根据三角形分布，得部分滑移加载时栓接结合部切向载荷：

②卸载过程

在卸载过程中就出现三种状态：粘着、粘着-滑移和滑移，对应如下三种载荷：

式中：δ_max表示最大切向位移，临界高度z₁＝d+(2G^*δ/μ_fE^*)(δ_max-δ)，z₂＝d+4G^*δ_max/(μ_fE^*)；

卸载时栓接结合部切向载荷：

③重加载过程

根据massing准则，加载与卸载过程中，切向载荷关系如下，其中，表示重加载时的切向载荷；

4)建立栓接结合部能量耗散模型

对于单个微凸体一个周期的能量耗散表示为

栓接结合部的能量耗散模型为：

进一步的，采用栓接结合部能量耗散特性测试装置，测量栓接结合部的力-位移关系，采用所测量的栓接结合部的力-位移关系曲线验证所建立的栓接结合部的能量耗散模型。

一种栓接结合部能量耗散特性测试方法，对于不同预紧力的栓接结合部的能量耗散特性，采用栓接结合部能量耗散特性测试装置的测试方法对多种不同预紧力栓接结合部的能量耗散特性进行模拟，从而获得各种预紧力下栓接结合部的能量耗散特性曲线，测试栓接结构的能量耗散特性；所述电桥和动态应变仪是用来测试螺栓预紧力的大小，根据高强度螺栓所产生的应变，利用转换曲线将其转换为力。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)从实验装置可看出，测试出来的特性参数仅仅是上下试件之间栓接结合部的能量耗散特性，减少了测量的物理量的个数，所以能够保证栓接结合部能量耗散特性从实验装置系统的动特性中较容分离出来。而且采用的是直接测量法。

(2)为了便于对影响螺栓连接能量耗散特性的各基本影响因素进行研究，本实验装置结构简单、易于更换、易于定位，能够进行重复试验。

(3)本实验装置所设计上下试件相互接触为三对结合面，减小了单一结合面大加工误差致使整个结合面数据不可靠的风险，使试验测得的试验数据更加准确。

(4)由于上下试件凸起相互啮合，所以很大程度上削减了由于机械振动带来的结合面偏差，从而使试验数据更加准确。

(5)本试验装置在设计上下试件时，结合面处仅仅受到切向力的作用，而没有受到法向力。

(6)本发明的建模方法全面分析了栓接结合部的加载过程，卸载过程和重加载过程，理论依据充实，推导过程严密，与实际过程一致，是一种全新的建模方法。

附图说明

图1是本发明测试栓接结合部能量耗散特性的装置原理图。

图2是本试验装置螺栓连接上试件图；其中图2(a)为螺栓连接上试件的正视图，图3(b)为俯视图。

图3是本试验装置螺栓连接下试件图；其中图3(a)为螺栓连接下试件的全剖视图，图2(b)为俯视图。

图4是本试验装置单螺栓连接装配图；其中图4(a)为正视图，图4(b)为俯视图。

图5为高斯分布函数与三角形分布函数的示意图。

具体实施方式

以下结合工作原理和结构附图对本发明的测试螺栓能量耗散特性装置作进一步详细说明。如图1至图4(b)所示，本发明一种栓接结合部能量耗散特性的测试装置，包括力拉伸试验机4、上试件2、下试件5、高强度螺栓3、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机。利用力矩扳手将上试件2与力拉伸试验机4的上夹具1固定，下试件5与力拉伸试验机4的下夹具6固定；利用力拉伸试验机4上下夹具装置将试件夹紧，为保证同轴度，先将下试件5夹紧，调节力拉伸试验机4的上夹具1后，将上试件2夹紧；延高强度螺栓3的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片固定在螺栓3内部并引线连接外部的电桥，电桥连接动态应变仪，利用电桥和动态应变仪获得螺栓预紧力的大小，动态应变仪通过信号采集系统将采集的预紧力信息送至计算机中；力拉伸试验机4的力和位移分别通过力传感器和位移传感器送至计算机中，从而获取不同预紧力下栓接结合部能量耗散特性曲线；从而根据能量耗散曲线研究栓接结合部的非线性特性。本发明中螺栓3选用M16的10.9S级高强度扭剪型螺栓。

上试件与下试件结构尺寸相同，顶部设置多处凸起，将结合面分为互不相连的多个区域，上下试件顶部凸起相互啮合，使试件与力拉伸试验机在同一轴线上。上试件与下试件顶部凸起的个数均为4个，凸体的主视图为等腰梯形或等腰三角形，以便于上、下试件间切向位移的产生。

本发明中上试件2和下试件5上对应设置一个连接孔；该连接孔设置于中线上。

测试时，首先将上试件2与下试件5通过高强度螺栓3相连，设定预紧力。力拉伸试验机4(MTS)的下夹具将下试件5夹紧，并确保在同一同轴度上，然后将上试件2与力拉伸试验机4的上夹具相连。将高强度螺栓3中的应变片与电桥相连，电桥与动态应变仪相连，通过力矩扳手调节螺栓预紧力的大小。确定预紧力之后，设置不同激振频率、相位、相位增角参数，进行力拉伸与压缩试验。分别提取力和位移试验数据，分别研究：预紧力和激励频率相同，激励幅值不同情况下的能量耗散特性情况；激励幅值和激励频率相同，预紧力不同情况下的能量耗散特性情况；激励幅值和预紧力相同，激励频率不同情况下的能量耗散特性情况。

利用本发明一种栓接结合部能量耗散特性测试装置来测试不同预紧力下的栓接结合部的能量特性的方法，包括：分别采用位移控制模式和力控制模式，获取不同预紧力下的栓接结合部的能量耗散特性曲线；根据不同条件下的试验数据，研究影响栓接结合部能量耗散特性的主要因素及主要因素对不同预紧力栓接结合部影响的规律。对于不同预紧力栓接结合部的能量耗散特性，采用模型来进行模拟，达到预测不同预紧力下栓接结合部的能量耗散特性的目的。利用本装置更换不同的条件(如：试件的材质、结合面的加工方法、结合面的加工质量、结合面的介质状况、结合面间的相对位移性质、整体结构的动载荷性质和大小、振动频率、螺栓预紧力的大小等因素)可以做不同条件下的实验，从而获取不同条件下栓接结合部能量耗散特性，根据实验数据研究影响不同预紧力栓接结合部能量耗散特性的主要因素及主要因素对能量耗散特性影响的规律，从而预测不同预紧力的栓接结合部的能量耗散特性。

本发明一种获取栓接结合部能量耗散特性的建模方法，包括以下步骤：

1)建立栓接结合部法向接触载荷模型：

根据Hertz接触理论，单个微凸体法向接触载荷：

式中：R表示微凸体顶端等效曲率半径；E^*表示复合弹性模量，E^*＝[(1-υ₁ ²)/E₁+(1-υ₂ ²)/E₂]^-1，E₁、E₂和υ₁、υ₂分别表示栓接结合部中两连接材料的弹性模量和泊松比；σ表示微凸体表面高度的均方差值；z表示微凸体高度；d表示微凸体平均高度基准面与理想刚性平面之间的距离；

综合三角形分布和高斯分布，重新建立新的栓接结合部微观表面分布函数；

三角形分布函数

式中：a为底线，b为上线，c为众数；

根据高斯分布和三角形分布函数，可确定式(3)：

从而求得新的栓接结合部微凸体高度分布函数：

栓接结合部法向载荷：

式中：ηA₀表示微凸体的个数；A₀表示结合面名义接触面积；η表示微凸体的分布密度；

2)建立完全滑移时栓接结合部最大切向载荷模型

根据Coulomb摩擦理论

式中：μ_f表示摩擦系数；

3)建立部分滑移时栓接结合部切向载荷模型

①加载过程

在加载过程中出现两种运动状态即滑移与粘着，单一微凸体的切向载荷：

式中：z₀表示微凸体临界高度，z₀＝d+4G^*δ/(μ_fE^*)；G^*表示复合剪切模量，G^*＝[(2-υ₁)/G₁+(2-υ₂)/G₂]^-1，G₁和G₂表示两连接材料的剪切模量；δ表示栓接结合部切向位移；

根据三角形分布，得部分滑移加载时栓接结合部切向载荷：

②卸载过程

在卸载过程中就出现三种状态：粘着、粘着-滑移和滑移，对应如下三种载荷：

式中：δ_max表示最大切向位移，临界高度z₁＝d+(2G^*δ/μ_fE^*)(δ_max-δ)，z₂＝d+4G^*δ_max/(μ_fE^*)；

卸载时栓接结合部切向载荷：

③重加载过程

根据massing准则，加载与卸载过程中，切向载荷关系如下，其中，表示重加载时的切向载荷；

4)建立栓接结合部能量耗散模型

对于单个微凸体一个周期的能量耗散表示为

栓接结合部的能量耗散模型为：

采用栓接结合部能量耗散特性测试装置，测量栓接结合部的力-位移关系，采用所测量的栓接结合部的力-位移关系曲线验证所建立的栓接结合部的能量耗散模型，该模型能够真实的反应栓接结合部的力-位移关系。

Claims (7)

1.栓接结合部能量耗散特性测试装置，其特征在于，包括力拉伸试验机、上试件、下试件、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机；上试件与力拉伸试验机的上夹具固定，下试件与力拉伸试验机的下夹具固定；上试件和下试件通过螺栓固定；沿螺栓的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；力拉伸试验机上设有用于测量力拉伸试验机的力和位移的力传感器和位移传感器，动态应变仪、力传感器和位移传感器均连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机，用于将采集的螺栓预紧力、力拉伸试验机的力和位移数据传送给计算机。

2.根据权利要求1所述的栓接结合部能量耗散特性测试装置，其特征在于，上试件与下试件结构尺寸相同，顶部设置多处凸起，将结合面分为互不相连的多个区域，上下试件顶部凸起相互啮合，使试件与力拉伸试验机在同一轴线上。

3.根据权利要求1所述的栓接结合部能量耗散特性测试装置，其特征在于，螺栓为M16的10.9S级高强度螺栓。

4.权利要求1至3中任一项所述的栓接结合部能量耗散特性测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将上试件与下试件通过螺栓相连；然后通过力拉伸试验机的下夹具将下试件夹紧，并确保在同一同轴度上，然后将上试件与力拉伸试验机的上夹具相连；调节螺栓，使预应力达到设定值，设置不同激振频率、相位和相位增角参数，进行力拉伸与压缩试验；分别提取力和位移试验数据，获取能量耗散特性曲线。

5.权利要求4所述的栓接结合部能量耗散特性测试装置的测试方法，其特征在于，多次试验，获取不同预紧力下栓接结合部的能量特性曲线。

6.一种获取栓接结合部能量耗散特性的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立栓接结合部法向接触载荷模型：

根据Hertz接触理论，单个微凸体法向接触载荷：

式中：R表示微凸体顶端等效曲率半径；E^*表示复合弹性模量，E^*＝[(1-υ₁ ²)/E₁+(1-υ₂ ²)/E₂]^-1，E₁、E₂和υ₁、υ₂分别表示栓接结合部中两连接材料的弹性模量和泊松比；σ表示微凸体表面高度的均方差值；z表示微凸体高度；d表示微凸体平均高度基准面与理想刚性平面之间的距离；

综合三角形分布和高斯分布，重新建立新的栓接结合部微观表面分布函数；

三角形分布函数

式中：a为底线，b为上线，c为众数；

根据高斯分布和三角形分布函数，可确定式(2)中的参数关系：

从而求得新的栓接结合部微凸体高度分布函数：

栓接结合部法向载荷：

式中：ηA₀表示微凸体的个数；A₀表示结合面名义接触面积；η表示微凸体的分布密度；

2)建立完全滑移时栓接结合部最大切向载荷模型

根据Coulomb摩擦理论

式中：μ_f表示摩擦系数；

3)建立部分滑移时栓接结合部切向载荷模型

①加载过程

在加载过程中出现两种运动状态即滑移与粘着，单一微凸体的切向载荷：

式中：z₀表示微凸体临界高度，z₀＝d+4G^*δ/(μ_fE^*)；G^*表示复合剪切模量，G^*＝[(2-υ₁)/G₁+(2-υ₂)/G₂]^-1，G₁和G₂表示两连接材料的剪切模量；δ表示栓接结合部切向位移；

根据三角形分布，得部分滑移加载时栓接结合部切向载荷：

②卸载过程

在卸载过程中就出现三种状态：粘着、粘着-滑移和滑移，对应如下三种载荷：

式中：δ_max表示最大切向位移，临界高度z₁＝d+(2G^*δ/μ_fE^*)(δ_max-δ)，z₂＝d+4G^*δ_max/(μ_fE^*)；

卸载时栓接结合部切向载荷：

③重加载过程

根据massing准则，加载与卸载过程中，切向载荷关系如下，其中，表示重加载时的切向载荷；

4)建立栓接结合部能量耗散模型

对于单个微凸体一个周期的能量耗散表示为

栓接结合部的能量耗散模型为：

。

7.根据权利要求6所述的一种获取栓接结合部能量耗散特性的建模方法，其特征在于，采用权利要求1至3中任一项所述的栓接结合部能量耗散特性测试装置，测量栓接结合部的力-位移关系，采用所测量的栓接结合部的力-位移关系曲线验证所建立的栓接结合部的能量耗散模型。