軸向激勵下螺栓連接結構的松動機理研究.pdf

1、由于結構簡單、拆卸方便和成本低等優(yōu)點，螺栓連接結構廣泛應用于各類工程結構中。作為重要的連接部件，其性能對整個結構的安全性和可靠性具有重要影響。在振動環(huán)境下，松動是螺栓連接結構失效的主要形式之一。鑒于螺栓松動機制的重要性和復雜性，國內外對其進行了廣泛的研究。但是由于加工精度和表面粗糙度不同等原因，螺栓松動試驗結果重復性差、分散性大，難以發(fā)現松動的規(guī)律，對于螺栓的松動機制至今尚未形成統(tǒng)一的認識。開展螺栓松動試驗的研究，具有重要的科學意義，不

2、僅可以深化對螺栓松動機理的認識，而且為工業(yè)實際螺栓防松提供重要的理論指導。
　　本論文基于自主研制的螺栓松動試驗裝置，成功再現了軸向激勵下螺栓連接結構的松動過程，并在在不同預緊力矩/預緊力和交變載荷幅值等試驗參數下，系統(tǒng)開展了軸向激勵下螺栓/鋁制件連接結構和螺栓/鋼制螺母連接結構的松動試驗;對螺栓進行表面處理，研究聚四氟乙烯涂層（PTFE涂層）、二硫化鉬涂層（MoS2涂層）和氮化鈦涂層（TiN涂層）對螺栓連接結構防松性能的影響;基

3、于MoS2涂層螺栓，通過理論計算獲取合理的預緊力，并研究其防松性能。在動力學分析的基礎上，運用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子能譜儀(EDX)進行微觀分析，并結合有限元計算，系統(tǒng)揭示了螺栓連接結構的松動機理。
　　完成的主要研究內容和獲得的主要結論如下:
　?。ㄒ唬┹S向激勵下螺栓連接結構松動機理
　　基于動力學響應以及螺紋表面損傷形貌分析，結合有限元計算，發(fā)現螺栓連接結構的松動機理是結構的塑性變形和接

4、觸界面的微動磨損。
　　(1)螺栓連接結構的松動過程可分為兩個階段:第一階段，由于螺栓連接結構的塑性變形以及接觸表面粗糙峰被去除，螺栓軸向力迅速下降;第二階段，隨著循環(huán)次數的增加，由于材料的棘輪效應，塑性變形趨于穩(wěn)定，微動磨損是螺栓軸向力下降的主要原因。
　　(2)研究表明預緊力矩/預緊力、交變載荷幅值、循環(huán)次數等試驗參數對螺栓連接結構的松動行為具有強烈的影響:隨著預緊力矩/預緊力的增大，螺栓殘余軸向力與預緊力之比增大，螺紋

5、表面的磨損程度逐漸降低，主要的磨損機制由疲勞磨損、粘著磨損向磨粒磨損轉變;隨著交變載荷幅值的增大，螺栓殘余軸向力與預緊力之比減小，螺紋表面的磨損程度加劇，主要的磨損機制由磨粒磨損向疲勞磨損轉變;由于磨屑的塞積、排出，螺栓軸向力在試驗過程中出現先增大后減小的現象，但總體呈減小趨勢;在MoS2潤滑劑潤滑條件下，螺栓/鋁制件連接結構的殘余軸向力與預緊力之比相對于無潤滑條件下較大，螺紋表面的損傷程度相對較輕，主要的磨損機制為磨粒磨損。
　

6、?。ǘ┹S向激勵下不同涂層螺栓連接結構的松動機理
　　(1)在螺栓松動過程的第一階段，由于界面摩擦系數低，PTFE涂層和MoS2涂層螺栓表面粗糙峰少，螺栓軸向力在此階段變化小;反之，TiN涂層螺栓軸向力在此階段下降相對明顯。
　　(2)在螺栓松動過程的第二階段，由于PTFE涂層的結合強度低，螺紋表面的PTFE涂層磨損嚴重，螺栓軸向力在此階段變化大;MoS2涂層摩擦系數小，螺紋表面摩擦應力小，且該涂層結合強度高，接觸界面的磨損

7、輕微，螺栓軸向力在此階段變化小;由于TiN涂層的耐磨性能好，接觸界面的磨損輕微，螺栓軸向力在此階段變化也小。
　　(3)在螺栓表面涂覆MoS2涂層后，在與未經過表面處理的螺栓螺紋根部相同的應力狀態(tài)下，預緊力可以提高近20％。此時螺紋接觸界面的摩擦應力和單位面積的摩擦耗散能減小，說明螺紋表面的損傷輕微;接觸面積增大，螺紋根部由交變載荷引起的累積塑性應變減小。螺栓的防松性能得到大幅度的提高。
　?。ㄈ┞菟ㄟB接結構的精確建模及數

8、值分析
　　運用Matlab軟件和ABAQUS軟件建立了螺栓連接結構的精確模型，并通過理論計算驗證了有限元模型的有效性，研究結果表明:
　　(1)第一圈工作螺紋約承受全部軸向力的30％，前三圈工作螺紋約承受全部軸向力的70％。螺栓第一圈工作螺紋牙底的應力集中系數最大，隨著圈次的增加，應力集中系數首先迅速降低，然后緩慢下降。此外，螺母螺紋牙底的應力集中系數相對較低。
　　(2)沿螺栓徑向方向，靠近螺紋牙項區(qū)域單位面積的摩

9、擦耗散能最大，說明此區(qū)域損傷較為嚴重;靠近螺紋牙底區(qū)域由于沒有發(fā)生相對滑動，因此該區(qū)域損傷輕微。沿螺栓周向方向，單位面積的摩擦耗散能總體呈現減小趨勢，說明隨著工作螺紋圈次的增加，磨損總體呈減輕趨勢;但是單位面積的摩擦耗散能不是單調減小的，導致螺紋表面的磨損不均勻。
　　(3)隨著預緊力的增大，螺紋接觸界面的摩擦應力略微增大，但相對滑移量明顯減小，表面單位面積的摩擦耗散能減小，說明螺紋表面的損傷減輕;同時，螺紋接觸面積增大，螺紋根部

10、由交變載荷引起的累積塑性應變減小。因此，殘余軸向力與預緊力之比增大。隨著交變載荷幅值的增大，螺紋接觸界面的摩擦應力和相對滑移量均增大，表面單位面積的摩擦耗散能增大，說明螺紋表面的磨損加劇;同時，螺紋根部由交變載荷引起的累積塑性應變增大。因此，殘余軸向力與預緊力之比減小。
　　(4)降低螺栓頭部/被連接件和螺紋接觸界面的摩擦系數，并適當提高預緊力，可降低由交變載荷引起的塑性變形和螺紋表面單位面積的摩擦耗散能，從而有效提高螺栓的防松性