一种摩擦系数诱导的栓接结合部连接力学行为多性态定量评估方法

本发明涉及高端数控装备装配性能退化性能评价与高性能装配，具体为一种摩擦系数诱导的栓接结合部连接力学行为多性态定量评估方法。

背景技术：

1、由于易于拆卸和安装，高承载能力和高载荷传递效率等优点，螺栓接头普遍应用于航空、汽车、铁路等领域。螺栓连接结构的力学状态取决于其所传递的载荷，在轴向、横向、扭转等外载荷形式下表现出不同的力学性能。在横向载荷的作用下，螺栓接头不可避免地产生滑移和变形，增加了螺栓连接的风险和不确定性，直接影响装备服役可靠性。通常螺栓接头依靠夹紧力产生的摩擦力，在一定程度上减小了连接板的过度滑移，满足结构性能要求。由于螺栓连接的力学性能随横向荷载的变化而变化，除常规设计参数外，还应考虑各阶段的横向荷载阈值和接触状态。滑移会导致结构失效的风险和装备的使用寿命，因此研究滑移阶段的力学性能是一项重要任务。对于服役可靠性要求高的螺栓连接应用，通过本发明采取相应措施控制其所承受的外部载荷或改变接触面摩擦特性，避免可能出现的退化和失效。

2、本发明提出一种摩擦系数诱导的栓接结合部连接力学行为多性态定量评估方法，以典型连接结构横向受载下的各接触面为分析对象，见附图1，基于精细化仿真解算的横向受载栓接结合部应力分布状态分析，提出考虑接触面摩擦系数水平的滑移接触面判别方法，讨论四个结合部摩擦系数的组合和相对大小关系，提取横向载荷作用下预紧力及螺帽-被连接件-螺母接触面和螺纹啮合表面滑移瞬时的临界摩擦力，计算横向载荷、位移响应、螺栓预紧力和接触面摩擦力结合的滑移瞬时横向载荷阈值，辨识粘滞、螺帽局部-完全滑移、承压面局部-完全滑移、螺纹滑移和剪切变形等滑移状态，并建立表征栓接结合部连接力学行为的多性态评估模型。

技术实现思路

1、针对现有表征方法存在的不足，本发明提出的一种摩擦系数诱导的栓接结合部连接力学行为多性态定量评估方法，具体实施步骤见附图1：

2、步骤1：针对典型螺栓连接结构，见附图2，利用整体和局部分析相结合的方法对各结合部在预紧力作用和横向载荷作用下的受力状态进行分析；

3、步骤2：提出接触面摩擦系数水平的滑移接触面判别方法，根据螺纹摩擦系数和螺母承压面摩擦系数的大小关系判断滑移过程是否包括螺纹滑移阶段，对各接触面的摩擦系数大小对比进行分析讨论；

4、步骤3：提取横向载荷作用下预紧力及螺帽-被连接件-螺母接触面和螺纹啮合表面滑移瞬时的临界摩擦力，计算横向载荷、位移响应、螺栓预紧力和接触面摩擦力结合的滑移瞬时横向载荷阈值；

5、步骤4：辨识粘滞、螺帽局部-完全滑移、承压面局部-完全滑移、螺纹滑移和剪切变形等滑移状态，并建立表征栓接结合部连接力学行为的多性态评估模型，形成接触面摩擦系数不同组合方式下的连接力学行为多性态评价方法。

6、与现有技术方案相比，本发明在原有三阶段模型基础上，基于部分滑移理论，考虑了螺栓头-加载板界面，加载板-固定板界面，固定板-螺母承压面界面和螺纹接触界面可能的异步滑动现象，对横向载荷下螺栓连接的力学性能用多个阶段对滑移过程进行描述，计算各阶段发生的横向载荷阈值。提出栓接结合部连接力学行为多性态定量评估方法，有效解决当前模型中无法判断发生滑移的薄弱环节和计算结构完全滑移时的横向载荷阈值等局限性问题，为评估给定实际工程应用的结构抗横向载荷能力评估提供方法支撑。此外，对于服役可靠性要求高的螺栓连接应用，通过本发明采取相应措施控制其所承受的外部载荷或改变接触面摩擦特性，避免可能出现的退化和失效。

7、步骤1中所述主要利用整体和局部分析相结合的方法对各结合部在预紧力作用和横向载荷作用下的受力状态进行分析，见附图3。由于螺纹连接复杂的非线性特征和螺栓孔的存在，导致各接触界面压力分布不均匀，应力分布直接决定了抗横向载荷能力，可以通过有限元方法求解计算。

8、步骤2中提出的接触面摩擦系数水平的滑移接触面判别方法，对各接触面的摩擦系数大小对比进行分析讨论，具体可能的情况见附图4。通过对螺母的受力分析，当螺母承压面摩擦系数不超过螺纹摩擦系数时，在螺杆剪切作用之前，螺纹的完全滑移不会发生。

9、(1)情况1：fu→b＜μhfn且μh≤min(μp,μb)

10、加载初期由于连接件间的摩擦力小于临界静摩擦力，u-l界面的为粘滞状态。当u-l界面的摩擦力达到临界摩擦力时，连接件完全滑动，b-u界面进入局部滑移状态。直到横向载荷的大小超过u-l与b-u界面临界摩擦力之和，螺栓头完全滑动。随后是螺母承压面的局部-完全滑动过程。该种条件下，滑移过程经历了粘滞-螺栓头局部-完全滑移-承压面局部-完全滑移-剪切变形六个阶段。

11、(2)情况2：μhfn≤fu→b＜μbfn且μh≤min(μp,μb)

12、螺栓头摩擦力在加载板完全滑动时已经达到临界摩擦力，将跳过螺栓头局部滑移阶段，直接进入螺栓头部完全滑移状态。直到加载板孔壁与螺栓接触，螺栓头完全滑移终止。横向载荷通过紧固件传递至n-l界面。螺母与固定板的静摩擦力持续增加，横向载荷增加到u-l界面摩擦力和n-l界面摩擦力之和，螺母与固定板完全滑动。当螺栓与固定板孔壁接触，整个滑移过程终止。该种条件下，滑移过程经历了粘滞-螺栓头完全滑移-承压面局部-完全滑移-剪切变形五个阶段。

13、(3)情况3：fu→b≥μbfn且μh≤min(μp,μb)

14、在加载板相对固定板完全滑动时，螺栓头部和承压面摩擦力都已经达到临界摩擦力，b-u界面和n-l界面的局部滑移状态均被跳过，直接进入完全滑移阶段。该种条件下，滑移过程经历了粘滞-完全滑移-剪切变形三个阶段。

15、(4)情况4：μp≤μh＜μb

16、滑移过程中，b-u界面先于n-l界面到达临界摩擦力。螺栓头部先滑移。剩下的过程和情况1相同。滑移过程经历了粘滞-螺栓头局部-完全滑移-承压面局部-完全滑移-剪切变形六个阶段。

17、(5)情况5：μp≤μb＝μh

18、b-u界面和n-l界面同时到达临界摩擦力。螺栓头和承压面的滑移同时发生。滑移过程只有一次局部滑移和完全滑移阶段。滑移过程经历了粘滞-局部-完全滑移-剪切变形四个阶段。

19、(6)情况6：μp≤μb＜μh

20、滑移过程中，n-l界面先于b-u界面到达临界摩擦力。螺母承压面先局部-完全滑移。当螺栓与固定板接触，螺栓头开始局部-完全滑移。滑移过程经历了粘滞-承压面局部-完全滑移-螺栓头局部-完全滑移-剪切变形六个阶段。

21、(7)情况7：fl→n＜μbfn且μb≤min(μh,μp)

22、当u-l界面的摩擦力达到临界摩擦力时，传递到承压面的摩擦力不足以导致螺母完全滑动，n-l界面进入局部滑移状态。直到n-l界面达到临界摩擦力，承压面完全滑动。随后是螺母承压面的局部-完全滑动过程。滑移过程经历了粘滞-承压面局部-完全滑移-螺栓头局部-完全滑移-剪切变形六个阶段。

23、(8)情况8：μbfn≤fl→n＜μhfn且μb≤min(μh,μp)

24、螺母承压面摩擦力在加载板相对固定板完全滑动时已经达到临界摩擦力，滑移过程将跳过局部滑移阶段，直接进入承压面完全滑移状态。滑移过程经历了粘滞-螺栓头完全滑移-承压面局部-完全滑移-剪切变形五个阶段。

25、(9)情况9：fl→n≥μhfn且μb≤min(μh,μp)

26、在u-l界面达到临界摩擦力时，螺栓头部和承压面都已经达到临界摩擦力，b-u界面和n-l界面的局部滑移状态均被跳过，直接进入完全滑移阶段。滑移过程经历了粘滞-完全滑移-剪切变形三个阶段。

27、当螺母承压面摩擦系数超过螺纹摩擦系数时，在螺母承压面完全滑移之前，螺纹的完全滑移已经发生。因此，螺纹的滑移只发生在承压面局部滑移之后，完全滑移之前。

28、步骤3中所述提取横向载荷作用下预紧力及螺帽-被连接件-螺母接触面和螺纹啮合表面滑移瞬时的临界摩擦力在滑移过程分析中，接触面上的临界摩擦力是所有接触面的夹紧力(接触应力和接触面积的积分)与摩擦系数的乘积。

29、ff,max(δ)＝μfn(δ)      (1)

30、随着载荷的增大和滑移过程的推进会造成预紧力的损失，因此预紧力是一个随时间的变化量。通过有限元结果提取横向载荷、位移响应、螺栓预紧力和接触面摩擦力结合的滑移瞬时横向载荷阈值。具体的各阶段横向载荷阈值计算如下：

31、

32、步骤4中辨识粘滞、螺帽局部-完全滑移、承压面局部-完全滑移、螺纹滑移和剪切变形等滑移状态，并建立表征栓接结合部连接力学行为的多性态评估模型，形成接触面摩擦系数不同组合方式下的连接力学行为多性态评价方法。对接触面摩擦系数不同组合方式下的力学性能进行多阶段划分，见附图5，

33、相对于其他栓接结合部连接力学行为评价方法，本发明的优点在于：

34、1、本发明在传统的三阶段分析模型的基础上，考虑各接触面的异步滑移特点，基于部分滑移理论，将滑移过程细分为粘滞阶段、螺栓头部局部-完全滑移阶段，螺母承压面局部-完全滑移阶段、螺纹滑移阶段和剪切变形阶段；

35、2、本发明基于有限元结果，提取横向载荷作用下预紧力及螺帽-被连接件-螺母接触面和螺纹啮合表面滑移瞬时的临界摩擦力，计算横向载荷、位移响应、螺栓预紧力和接触面摩擦力结合的滑移瞬时横向载荷阈值，量化了连接结构抵抗横向载荷的能力；

36、3、本发明建立表征栓接结合部连接力学行为的多性态评估模型，形成接触面摩擦系数不同组合方式下的连接力学行为多性态评价方法。对于服役可靠性要求高的螺栓连接应用，通过本发明采取相应措施控制其所承受的外部载荷或改变接触面摩擦特性，避免可能出现的退化和失效。