本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，特別涉及一種栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置與建模方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械結(jié)構(gòu)是由許多零部件按一定功能要求結(jié)合起來的整體，螺栓連接是其中主要形式之一。通過螺栓連接的結(jié)構(gòu)主要由結(jié)合面和螺栓連接兩部分組成。由于結(jié)合面的非線性特性和螺栓連接因間隙、干摩擦、預(yù)應(yīng)力和初始變形等因素產(chǎn)生的非線性，使得栓接結(jié)合部對(duì)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能影響很大，作用機(jī)理極其復(fù)雜。影響結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性的因素很多，而且十分復(fù)雜，這些因素主要有：結(jié)合面材質(zhì)、結(jié)合面的加工方法、結(jié)合面的加工質(zhì)量、結(jié)合面的介質(zhì)狀況、結(jié)合面預(yù)緊力的大小、結(jié)合面的動(dòng)載荷性質(zhì)和大小、結(jié)合面間的相對(duì)位移性質(zhì)、振動(dòng)頻率、螺栓連接等因素。

這么多的影響因素，再加之它們的影響規(guī)律又多為非線性，而且因素間又相互影響，從而無法以理論解析的方法直接確定它們的影響規(guī)律和影響程度的大小，必須通過實(shí)驗(yàn)研究的方法來予以解決。另外，由于螺栓的預(yù)緊可能是各種不同的力值。

為了測(cè)試栓接結(jié)合部能量耗散特性，系統(tǒng)地研究和探明栓接結(jié)合部能量耗散特性與其基本影響因素之間的關(guān)系，需要一套完整的測(cè)試裝置與建模方法，而目前還沒有相關(guān)測(cè)試栓接結(jié)合部能量耗散特性的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置、測(cè)試方法與建模方法，以解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明設(shè)計(jì)螺栓連接試件，通過力拉伸試驗(yàn)機(jī)獲得不同預(yù)緊力下栓接結(jié)合部能量耗散特性；利用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型，測(cè)試栓接結(jié)合部能量耗散特性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案：

栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置，包括力拉伸試驗(yàn)機(jī)、上試件、下試件、螺栓、應(yīng)變片、電橋、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)；上試件與力拉伸試驗(yàn)機(jī)的上夾具固定，下試件與力拉伸試驗(yàn)機(jī)的下夾具固定；上試件和下試件通過螺栓固定；沿螺栓的螺桿軸線中心處植有應(yīng)變片，該應(yīng)變片連接電橋，電橋通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接信號(hào)采集系統(tǒng)；力拉伸試驗(yàn)機(jī)上設(shè)有用于測(cè)量力拉伸試驗(yàn)機(jī)的力和位移的力傳感器和位移傳感器，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、力傳感器和位移傳感器均連接信號(hào)采集系統(tǒng)；信號(hào)采集系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)，用于將采集的螺栓預(yù)緊力、力拉伸試驗(yàn)機(jī)的力和位移數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步的，上試件與下試件結(jié)構(gòu)尺寸相同，頂部設(shè)置多處凸起，將結(jié)合面分為互不相連的多個(gè)區(qū)域，上下試件頂部凸起相互嚙合，使試件與力拉伸試驗(yàn)機(jī)在同一軸線上。

進(jìn)一步的，螺栓為M16的10.9S級(jí)高強(qiáng)度螺栓。

進(jìn)一步的，上試件和下試件為同種材料或異種材料。

進(jìn)一步的，上試件和下試件間不加任何潤(rùn)滑介質(zhì)。

進(jìn)一步的，上試件與下試件頂部凸起的個(gè)數(shù)均為4個(gè)，凸體的主視圖為等腰梯形或等腰三角形，以便于上、下試件間切向位移的產(chǎn)生。

栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟：

首先將上試件與下試件通過螺栓相連；然后通過力拉伸試驗(yàn)機(jī)的下夾具將下試件夾緊，并確保在同一同軸度上，然后將上試件與力拉伸試驗(yàn)機(jī)的上夾具相連；調(diào)節(jié)螺栓，使預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值，設(shè)置不同激振頻率、相位和相位增角參數(shù)，進(jìn)行力拉伸與壓縮試驗(yàn)；分別提取力和位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取能量耗散特性曲線。

進(jìn)一步的，多次試驗(yàn)，獲取不同預(yù)緊力下栓接結(jié)合部的能量特性曲線。

一種獲取栓接結(jié)合部能量耗散特性的建模方法，包括以下步驟：

1)建立栓接結(jié)合部法向接觸載荷模型：

根據(jù)Hertz接觸理論，單個(gè)微凸體法向接觸載荷：

式中：R表示微凸體頂端等效曲率半徑；E^*表示復(fù)合彈性模量，E^*＝[(1-υ₁²)/E₁+(1-υ₂²)/E₂]^-1，E₁、E₂和υ₁、υ₂分別表示栓接結(jié)合部中兩連接材料的彈性模量和泊松比；σ表示微凸體表面高度的均方差值；z表示微凸體高度；d表示微凸體平均高度基準(zhǔn)面與理想剛性平面之間的距離；

綜合三角形分布和高斯分布，重新建立新的栓接結(jié)合部微觀表面分布函數(shù)；

三角形分布函數(shù)

式中：a為底線，b為上線，c為眾數(shù)；

根據(jù)高斯分布和三角形分布函數(shù)，可確定式(3)：

從而求得新的栓接結(jié)合部微凸體高度分布函數(shù)：

栓接結(jié)合部法向載荷：

式中：ηA₀表示微凸體的個(gè)數(shù)；A₀表示結(jié)合面名義接觸面積；η表示微凸體的分布密度；

2)建立完全滑移時(shí)栓接結(jié)合部最大切向載荷模型

根據(jù)Coulomb摩擦理論

式中：μ_f表示摩擦系數(shù)；

3)建立部分滑移時(shí)栓接結(jié)合部切向載荷模型

①加載過程

在加載過程中出現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即滑移與粘著，單一微凸體的切向載荷：

式中：z₀表示微凸體臨界高度，z₀＝d+4G^*δ/(μ_fE^*)；G^*表示復(fù)合剪切模量，G^*＝[(2-υ₁)/G₁+(2-υ₂)/G₂]^-1，G₁和G₂表示兩連接材料的剪切模量；δ表示栓接結(jié)合部切向位移；

根據(jù)三角形分布，得部分滑移加載時(shí)栓接結(jié)合部切向載荷：

②卸載過程

在卸載過程中就出現(xiàn)三種狀態(tài)：粘著、粘著-滑移和滑移，對(duì)應(yīng)如下三種載荷：

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

卸載時(shí)栓接結(jié)合部切向載荷：

③重加載過程

根據(jù)massing準(zhǔn)則，加載與卸載過程中，切向載荷關(guān)系如下，其中，表示重加載時(shí)的切向載荷；

4)建立栓接結(jié)合部能量耗散模型

對(duì)于單個(gè)微凸體一個(gè)周期的能量耗散表示為

栓接結(jié)合部的能量耗散模型為：

進(jìn)一步的，采用栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置，測(cè)量栓接結(jié)合部的力-位移關(guān)系，采用所測(cè)量的栓接結(jié)合部的力-位移關(guān)系曲線驗(yàn)證所建立的栓接結(jié)合部的能量耗散模型。

一種栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試方法，對(duì)于不同預(yù)緊力的栓接結(jié)合部的能量耗散特性，采用栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置的測(cè)試方法對(duì)多種不同預(yù)緊力栓接結(jié)合部的能量耗散特性進(jìn)行模擬，從而獲得各種預(yù)緊力下栓接結(jié)合部的能量耗散特性曲線，測(cè)試栓接結(jié)構(gòu)的能量耗散特性；所述電橋和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀是用來測(cè)試螺栓預(yù)緊力的大小，根據(jù)高強(qiáng)度螺栓所產(chǎn)生的應(yīng)變，利用轉(zhuǎn)換曲線將其轉(zhuǎn)換為力。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)從實(shí)驗(yàn)裝置可看出，測(cè)試出來的特性參數(shù)僅僅是上下試件之間栓接結(jié)合部的能量耗散特性，減少了測(cè)量的物理量的個(gè)數(shù)，所以能夠保證栓接結(jié)合部能量耗散特性從實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的動(dòng)特性中較容分離出來。而且采用的是直接測(cè)量法。

(2)為了便于對(duì)影響螺栓連接能量耗散特性的各基本影響因素進(jìn)行研究，本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于更換、易于定位，能夠進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

(3)本實(shí)驗(yàn)裝置所設(shè)計(jì)上下試件相互接觸為三對(duì)結(jié)合面，減小了單一結(jié)合面大加工誤差致使整個(gè)結(jié)合面數(shù)據(jù)不可靠的風(fēng)險(xiǎn)，使試驗(yàn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

(4)由于上下試件凸起相互嚙合，所以很大程度上削減了由于機(jī)械振動(dòng)帶來的結(jié)合面偏差，從而使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

(5)本試驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)上下試件時(shí)，結(jié)合面處僅僅受到切向力的作用，而沒有受到法向力。

(6)本發(fā)明的建模方法全面分析了栓接結(jié)合部的加載過程，卸載過程和重加載過程，理論依據(jù)充實(shí)，推導(dǎo)過程嚴(yán)密，與實(shí)際過程一致，是一種全新的建模方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測(cè)試栓接結(jié)合部能量耗散特性的裝置原理圖。

圖2是本試驗(yàn)裝置螺栓連接上試件圖；其中圖2(a)為螺栓連接上試件的正視圖，圖3(b)為俯視圖。

圖3是本試驗(yàn)裝置螺栓連接下試件圖；其中圖3(a)為螺栓連接下試件的全剖視圖，圖2(b)為俯視圖。

圖4是本試驗(yàn)裝置單螺栓連接裝配圖；其中圖4(a)為正視圖，圖4(b)為俯視圖。

圖5為高斯分布函數(shù)與三角形分布函數(shù)的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合工作原理和結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本發(fā)明的測(cè)試螺栓能量耗散特性裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1至圖4(b)所示，本發(fā)明一種栓接結(jié)合部能量耗散特性的測(cè)試裝置，包括力拉伸試驗(yàn)機(jī)4、上試件2、下試件5、高強(qiáng)度螺栓3、應(yīng)變片、電橋、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。利用力矩扳手將上試件2與力拉伸試驗(yàn)機(jī)4的上夾具1固定，下試件5與力拉伸試驗(yàn)機(jī)4的下夾具6固定；利用力拉伸試驗(yàn)機(jī)4上下夾具裝置將試件夾緊，為保證同軸度，先將下試件5夾緊，調(diào)節(jié)力拉伸試驗(yàn)機(jī)4的上夾具1后，將上試件2夾緊；延高強(qiáng)度螺栓3的螺桿軸線中心處植有應(yīng)變片，該應(yīng)變片固定在螺栓3內(nèi)部并引線連接外部的電橋，電橋連接動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，利用電橋和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀獲得螺栓預(yù)緊力的大小，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀通過信號(hào)采集系統(tǒng)將采集的預(yù)緊力信息送至計(jì)算機(jī)中；力拉伸試驗(yàn)機(jī)4的力和位移分別通過力傳感器和位移傳感器送至計(jì)算機(jī)中，從而獲取不同預(yù)緊力下栓接結(jié)合部能量耗散特性曲線；從而根據(jù)能量耗散曲線研究栓接結(jié)合部的非線性特性。本發(fā)明中螺栓3選用M16的10.9S級(jí)高強(qiáng)度扭剪型螺栓。

上試件與下試件結(jié)構(gòu)尺寸相同，頂部設(shè)置多處凸起，將結(jié)合面分為互不相連的多個(gè)區(qū)域，上下試件頂部凸起相互嚙合，使試件與力拉伸試驗(yàn)機(jī)在同一軸線上。上試件與下試件頂部凸起的個(gè)數(shù)均為4個(gè)，凸體的主視圖為等腰梯形或等腰三角形，以便于上、下試件間切向位移的產(chǎn)生。

本發(fā)明中上試件2和下試件5上對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)連接孔；該連接孔設(shè)置于中線上。

測(cè)試時(shí)，首先將上試件2與下試件5通過高強(qiáng)度螺栓3相連，設(shè)定預(yù)緊力。力拉伸試驗(yàn)機(jī)4(MTS)的下夾具將下試件5夾緊，并確保在同一同軸度上，然后將上試件2與力拉伸試驗(yàn)機(jī)4的上夾具相連。將高強(qiáng)度螺栓3中的應(yīng)變片與電橋相連，電橋與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀相連，通過力矩扳手調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力的大小。確定預(yù)緊力之后，設(shè)置不同激振頻率、相位、相位增角參數(shù)，進(jìn)行力拉伸與壓縮試驗(yàn)。分別提取力和位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別研究：預(yù)緊力和激勵(lì)頻率相同，激勵(lì)幅值不同情況下的能量耗散特性情況；激勵(lì)幅值和激勵(lì)頻率相同，預(yù)緊力不同情況下的能量耗散特性情況；激勵(lì)幅值和預(yù)緊力相同，激勵(lì)頻率不同情況下的能量耗散特性情況。

利用本發(fā)明一種栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置來測(cè)試不同預(yù)緊力下的栓接結(jié)合部的能量特性的方法，包括：分別采用位移控制模式和力控制模式，獲取不同預(yù)緊力下的栓接結(jié)合部的能量耗散特性曲線；根據(jù)不同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究影響栓接結(jié)合部能量耗散特性的主要因素及主要因素對(duì)不同預(yù)緊力栓接結(jié)合部影響的規(guī)律。對(duì)于不同預(yù)緊力栓接結(jié)合部的能量耗散特性，采用模型來進(jìn)行模擬，達(dá)到預(yù)測(cè)不同預(yù)緊力下栓接結(jié)合部的能量耗散特性的目的。利用本裝置更換不同的條件(如：試件的材質(zhì)、結(jié)合面的加工方法、結(jié)合面的加工質(zhì)量、結(jié)合面的介質(zhì)狀況、結(jié)合面間的相對(duì)位移性質(zhì)、整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)載荷性質(zhì)和大小、振動(dòng)頻率、螺栓預(yù)緊力的大小等因素)可以做不同條件下的實(shí)驗(yàn)，從而獲取不同條件下栓接結(jié)合部能量耗散特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究影響不同預(yù)緊力栓接結(jié)合部能量耗散特性的主要因素及主要因素對(duì)能量耗散特性影響的規(guī)律，從而預(yù)測(cè)不同預(yù)緊力的栓接結(jié)合部的能量耗散特性。

本發(fā)明一種獲取栓接結(jié)合部能量耗散特性的建模方法，包括以下步驟：

1)建立栓接結(jié)合部法向接觸載荷模型：

根據(jù)Hertz接觸理論，單個(gè)微凸體法向接觸載荷：

式中：R表示微凸體頂端等效曲率半徑；E^*表示復(fù)合彈性模量，E^*＝[(1-υ₁²)/E₁+(1-υ₂²)/E₂]^-1，E₁、E₂和υ₁、υ₂分別表示栓接結(jié)合部中兩連接材料的彈性模量和泊松比；σ表示微凸體表面高度的均方差值；z表示微凸體高度；d表示微凸體平均高度基準(zhǔn)面與理想剛性平面之間的距離；

綜合三角形分布和高斯分布，重新建立新的栓接結(jié)合部微觀表面分布函數(shù)；

三角形分布函數(shù)

式中：a為底線，b為上線，c為眾數(shù)；

根據(jù)高斯分布和三角形分布函數(shù)，可確定式(3)：

從而求得新的栓接結(jié)合部微凸體高度分布函數(shù)：

栓接結(jié)合部法向載荷：

式中：ηA₀表示微凸體的個(gè)數(shù)；A₀表示結(jié)合面名義接觸面積；η表示微凸體的分布密度；

2)建立完全滑移時(shí)栓接結(jié)合部最大切向載荷模型

根據(jù)Coulomb摩擦理論

式中：μ_f表示摩擦系數(shù)；

3)建立部分滑移時(shí)栓接結(jié)合部切向載荷模型

①加載過程

在加載過程中出現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即滑移與粘著，單一微凸體的切向載荷：

式中：z₀表示微凸體臨界高度，z₀＝d+4G^*δ/(μ_fE^*)；G^*表示復(fù)合剪切模量，G^*＝[(2-υ₁)/G₁+(2-υ₂)/G₂]^-1，G₁和G₂表示兩連接材料的剪切模量；δ表示栓接結(jié)合部切向位移；

根據(jù)三角形分布，得部分滑移加載時(shí)栓接結(jié)合部切向載荷：

②卸載過程

在卸載過程中就出現(xiàn)三種狀態(tài)：粘著、粘著-滑移和滑移，對(duì)應(yīng)如下三種載荷：

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

卸載時(shí)栓接結(jié)合部切向載荷：

③重加載過程

根據(jù)massing準(zhǔn)則，加載與卸載過程中，切向載荷關(guān)系如下，其中，表示重加載時(shí)的切向載荷；

4)建立栓接結(jié)合部能量耗散模型

對(duì)于單個(gè)微凸體一個(gè)周期的能量耗散表示為

栓接結(jié)合部的能量耗散模型為：

采用栓接結(jié)合部能量耗散特性測(cè)試裝置，測(cè)量栓接結(jié)合部的力-位移關(guān)系，采用所測(cè)量的栓接結(jié)合部的力-位移關(guān)系曲線驗(yàn)證所建立的栓接結(jié)合部的能量耗散模型，該模型能夠真實(shí)的反應(yīng)栓接結(jié)合部的力-位移關(guān)系。