复合材料搭接板常高温振动防松性能研究文献综述

 2022-11-01 01:11
  1. 文献综述(或调研报告):

螺纹联接的应用十分广泛。今天,几乎很难找到一部没有螺纹紧固件的机器。螺纹联接历史悠久,自从出现了人类文明,就开始了利用紧固件把几个物体联接起来的历史。A.Black认为,在人类文明史上联接技术的出现可以和发明车轮等量齐观。在所有联接中,螺纹联接是应用最广泛的。早在1457年制造的一个头盔上,发现有固定羽饰的螺钉、螺母,这是最早作为螺纹紧固件使用的例证。1760年英国Wyatt家族的Job和William兄弟发明了车螺纹用的车床,他们被认为是工业制造螺栓、螺母的创始人。

螺纹联接具有预紧、联接、紧固、密封等功能,可拆卸,易维修,通过标准化,实现了大批量生产,成本低而价格便宜,具有互换性,因此,在各种机械和结构中被广泛采用。然而螺栓的易拆卸性也导致其容易产生意外的失效情况。因此,设计者要格外注意螺栓松动的机理以制造出高可靠度的连接结构。

目前广为认可的是,振动是螺栓松动的一大原因;其中最常见的是垂直于螺栓轴方向的振动导致螺母或螺栓相对于连结的往复运动。如果该运动不存在,螺栓在更为复杂的振动环境下也难以松动。研究显示通过施加适当的预紧力可以避免此种松动的发生。

疲劳失效导致的连结处预紧力丢失也是螺栓松动的一个原因。预紧力丢失后连结处将发生滑移,产生扭矩,最终产生疲劳破坏。

螺栓与螺母间的发生的相对位移也会导致螺栓被拧松。相对位移会破坏螺纹咬合面的摩擦力并引起一个与螺牙间距、预紧力矩成比例的卸荷扭矩。如果螺栓或螺母与构件接触面的的摩擦力矩被克服,则该扭矩将拧松螺栓。有三个常见的导致上述相对位移的情形:

    1. 构件弯曲导致摩擦表面产生力,构件的滑动就使得螺栓的端部与螺纹间产生滑动;
    2. 温度梯度导致的温差或被连接材料的性能变化;
    3. 连结处表面受力导致其移动,导致螺栓松动。

一般而言,防止螺栓松动要确保以下几点:

  1. 连结界面有足够大的预紧力以阻止螺栓副内部产生相对运动;
  2. 连结件采用了允许嵌入和应力松弛的设计;
  3. 采用有效的螺纹锁固设计。

对螺栓连接自松弛及防松研究在上世纪60年代末已经开展。Junker设计琼克尔试验机并研究螺栓连接在横向循环载荷作用下的自松弛行为,发现此时螺栓连接更易发生自松弛。Hess等[3]通过试验及有限元仿真研究横向剪切载荷作用下螺栓连接自松弛,提出自松弛具有四阶段,即螺纹啮合面及承压面部分滑移阶段、螺纹啮合面完全滑移及承压面部分滑移阶段、螺纹啮合面部分滑移及承压面完全滑移阶段、螺纹啮合面及承压面完全滑移阶段。Nassar等[4-6]用线性模型研究螺纹倾角、预紧力、孔隙与螺纹配合、螺纹面与承压面摩擦因数等对螺栓连接横向振动自松弛影响。Nassar等[1,7-11]提出更精确的解析模型解释螺栓连接自松弛现象,并进行实验研究,校核解析模型。以上诸多研究的理论、实验模型均以琼克尔试验机为基础,忽略了连接物间结合面摩擦。

载荷的频率对螺栓的松动也有一定影响。Junker在其实验中并没有发现螺栓松动的速度与载荷的频率有明显的关系。对于此,Vinogradov和Huang[13]建立了一个运动学模型,用数值方法研究了高频振动的影响,但可能发生松动的情形明显超出工程实际中结构可能承受的载荷频率。因此他们认为,对于大多数工程结构来说,惯性力可能并不是影响螺纹松动的一个重要因素。然而,Housari的研究发现,低频率载荷比高频率载荷能够使螺纹联接在同样载荷循环数量时张紧力下降更多,他还用实验验证了这一观点[14]

高温状态也对螺栓松动有一定影响。温度升高引起的塑性变形主要包括两类:1)温度变化引起材料属性的变化使得材料在温度升高后持续屈服;2)蠕变带来的张紧力的下降。工作于较高温度下的机械结构,其材料都可能发生蠕变,螺栓联接也不例外,国内外均有文章对此进行分析[15-17]。在较高温度下,一般材料的弹性模量也都会变小,而螺栓张紧力主要生成于初始应变,因此张紧力会出现较明显的下降。Yang和Nassar[18]建立了1D 数学模型分别研究了屈服引起塑性变形以及蠕变的影响。研究结果显示,当温度变化范围较大时,被紧固件与紧固件之间微小的热膨胀系数的差异即可能使得螺栓张紧力下降至零。而且对于工作于较高温度的螺栓,单纯的增大初始预紧力并不能使螺栓在循环温度载荷作用下保持较高的张紧力。

螺纹联接结构的松动过程与接触面的摩擦状况密切相关,Eccles等[19]对螺栓结构进行多次拧入拧出,研究其摩擦系数的变化及螺纹接触面的磨损情况,结果表明多次预紧之后螺纹接触面间的摩擦系数变化强烈,螺纹接触面磨损严重。文献[20-23]指出,螺纹间的微动损伤是螺纹结构松动的重要原因之一。

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