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1.3 螺栓结合部的国内外研究概况

由于螺栓结合部包括了众多影响因素,导致其研究难度很大。目前,学者们在探讨研究螺栓结合部建模及其规律分析方面做了大量的工作,概括起来主要有螺栓结合部影响因素研究、螺栓结合部试验研究、螺栓结合部特性建模方法的研究及螺栓结合部参数识别方法的研究4个方面。

1.3.1 螺栓结合部的影响因素研究

螺栓结合部由螺栓头结合面、法兰结合面和螺纹结合面3个结合面组成(见图1-2),这3个结合面与螺栓之间相互耦合、相互影响。即使是最简单的单螺栓加载的平面结合结合部,其特性受组成螺栓结合部的螺栓规格、螺纹联接的长度、螺栓的数量、法兰的厚度、螺栓预紧力的大小等多种因素的影响,其结构也是复杂的。

图1-2 螺栓结合部

螺栓结合面表面质量对结合部刚度起着重要的作用,车削、铣削加工出来的工作表面的表面粗糙度较大,对结合部刚度的影响较为明显,磨削表面和刮研表面的表面粗糙度较小,表面粗糙度对结合面的刚度影响也较小。另外,如果结合表面出现不平整度偏差或波纹,那么就会出现结合面刚度恶化的情况。Thornley分别使用动物脂和油作为结合面的介质,得到除了研磨表面外,介质对结合面刚度的影响很小的结论。清水伸二等指出螺栓头的形状和大小可以影响结合面压力的分布,结合面压力的分布很大程度上取决于法兰材料、法兰厚度和结合面表面质量,加工方法对结合面螺栓孔区域的面压有较大影响,结合面压力分布、结合部刚度及结合部周围刚度之间的关系更加密切。

赵功、王宝瑞等人针对高精度空气静压轴承中的螺栓结合部进行了动态特性研究,指出组成结合面的构件的材料、接触面的形貌、接触面的几何精度、接触面的接触形式等因素都影响着螺栓结合部的动态特性,螺栓预紧力的影响较为显著。通过有限元仿真和试验模态两种方法分析,得出螺栓结合面固有频率随着螺栓预紧力的增加而增加的结论。

李玲、蔡安江等人基于统计学,分析了表面粗糙度、法向载荷对螺栓结合部刚度的影响,发现法向载荷的大小影响结合面微观形貌特性,载荷越大,真实接触面积越大,表面粗糙度越小;螺栓结合部的刚度与法向载荷呈线性关系,在相同法向载荷下,表面粗糙度越小,螺栓结合部的刚度越大。

Ungar通过试验研究了螺栓分布、预紧力、法兰材料及表面粗糙度对结合部耗能的影响,他发现垂直于结合面方向的运动比结合面本身的滑移对螺栓结合部阻尼特性的影响大。

杨国庆等人针对圆形分布的多螺栓结合部,应用有限元分析软件,研究了螺栓结合部螺栓头和螺纹的等效变形,得出在一定的弹性模量、泊松比范围内,当被联接件具有相同厚度、材料时,材料的弹性模量、泊松比越大,被联接件的法向总刚度越大的结论。

J.Fernández等人利用有限元仿真和数据挖掘技术建立了螺栓结合部特性的预测模型,该模型在有限元分析中采用不同的法兰厚度、螺栓规格大小和摩擦系数来分析螺栓联接在受到切向外载荷时发生滑动的最大外力值,同时分析在发生滑动时结合面上的最大应力值。

王颖、秦绪鑫等人应用有限软件ANSYS,将螺栓结合部简化为梁单元,得出螺栓固有频率与螺栓预紧力之间基本上呈线性关系。

杨辉、韩江等人在考虑板与板、螺栓与板间非线性接触,摩擦和螺栓预紧力等影响因素的基础上,构建了螺栓联接结构的三维有限元分析模型。他们假设被联接件压应力呈圆锥体分布,推导出接触应力分布三次数学表达式,并分析不同被联接件厚度、不同螺孔间隙及不同螺母直径对结合面刚度的影响规律,获得了结合面刚度计算经验公式。

陈水胜、胡海等人建立了真实结合面联接特性的分布参数模型,分析了螺栓结合面阻尼的产生机理及影响阻尼的主要因素;通过对螺栓联接件的受力分析,得出结合面间的压力随着与螺栓距离的增加而减小,最大值出现在靠近螺栓的部位,并得出螺栓联接切向载荷与能量损失之间的关系。

Sayed A.Nassar等人发现螺栓结合部的法兰结合面接触面积、孔间隙、联接件的直径与厚度的比值、被联接件的材质和厚度、螺栓头结合面的接触半径比都影响着螺栓结合部的刚度,而法兰结合面接触面积和螺栓头结合面的接触半径比这两个参数对螺栓结合部的刚度影响最大。在一些特殊情况下,适度增加这两个参数中的某一个参数,会使螺栓结合部的刚度增加50%以上。

方栋、陈继志以螺栓型号为M56的高强度螺栓结合部为例,应用ANSYS软件分析了螺栓结合部螺纹参数对螺纹联接的影响。研究结果表明:①螺栓结合部的最大应力在螺栓螺纹根部,在螺纹啮合的第一扣;②对于M56的螺栓结合部,增大螺纹根部圆角半径在一定范围内可以改善螺栓结合部的应力集中现象;③增大螺纹联接的长度可以有效减小螺栓结合部螺纹根部的应力;④螺纹的螺距对螺纹根部的应力影响不大。

现阶段虽然关于螺栓结合部影响因素的研究很多,各国学者也总结出了多种规律及经验公式,但是这些成果都是只针对某一特定条件下的结论,不具有通用性。

1.3.2 螺栓结合部的试验研究

早在1957年,Schlosser就开始对螺栓结合部进行试验研究,Schlosser使用较小的试件进行试验,并得出接触刚度随着接触面积的增加而增大,在法向载荷下,接触面积和接触模型对法向接触刚度有着重要影响。Plock等人使用较大的试件进行试验,也得出了同样的结论,并在此基础上得出了螺栓结合部刚度随着试件尺寸的增加而增大,通过改变接触的模型也可能一定程度上改变结合部刚度的结论。

1977年,日本学者堤正臣等人对螺栓结合部进行了动态试验研究,得到了迟滞曲线,并提出螺栓结合部的阻尼是由结合面的相对微观运动引起的结论。到20世纪80年代,苏联学者针对螺纹结合面做了大量的试验,经过分析得出了由于螺纹接触面的摩擦及相对运动而产生了阻尼,并解析得出了螺纹处的阻尼系数。

增加结合面的阻尼可以减小机械结构的振动响应、应力和噪声,C.F.Beards发现结合面的阻尼主要源于接触面的滑移,他通过控制接触面的滑移来研究阻尼,通过叠加板来增大摩擦阻尼,取得显著的成效,得出螺栓结合部存在着一个最佳预紧力使得阻尼值最大的结论。Shin等人试验分析了螺栓预紧力和阻尼的关系,得出了可通过调控预紧力或改变接触表面来控制阻尼大小的结论。

戴闻、刘强等人通过对螺栓结合部的锤击试验得出以下结论:①螺栓结合部的刚度随螺栓预紧力的加大而增大;②不同的结合面材料配对,其结合面刚度和阻尼随着材料的刚度和阻尼增大而增大;③增加螺栓排列数目和加大螺栓规格,其结合面接触刚度和阻尼随之呈增大趋势,但变化并不明显。

西安理工大学的惠烨、黄玉美等人设计了一套螺栓结合部切向试验装置,通过试验得出了在切向载荷不超过最大静摩擦力的情况下,螺栓结合面切向变形与外载荷呈线性关系的结论。

法国学者Chaima Hammami等认为改变螺栓结合部的刚度容易,而改变其阻尼特性较为困难,他们在考虑了耦合作用的前提下,设计了一种用于改变螺栓结合部的黏性阻尼的阻尼层,来确保螺栓结合部能消耗足够的能量。在螺栓结合部设计时,应先考虑满足螺栓结合部的动态特性,再想办法满足螺栓结合部的静态特性。

北京交通大学的安伟伟等人采用LMS Test.Lab对螺栓结合部进行模态试验分析,获得了系统的六阶固有频率和振型,将螺栓结合部法向的弹簧阻尼器等效模型改进为如图1-3b所示的切向、法向弹簧阻尼器模型,应用ANSYS Workbench有限元软件进行模态分析也计算出六阶振型和固有频率,通过对比仿真计算的结果和试验测得的结果,识别出了螺栓结合部的动刚度。

北京工业大学的蔡力钢、郝宇等人建立了法向静态拉伸试验装置,装配图如图1-4a所示,测试过程如图1-4b所示。由于结合面静刚度与联接方式、被联接段刚度、结合部刚度密切相关,很难直接测量,故依托螺栓结合面刚度、被联接件刚度、结合部刚度三者间的串联倒数关系,将螺栓结合面法向静态接触刚度从螺栓结合部整体静刚度中分离出来,建立被联接段刚度解析公式,绘制出螺栓结合面面压与螺栓结合面法向静态接触刚度的关系曲线。

图1-3 螺栓结合部动力学模型的改进

图1-4 法向静态拉伸试验

1—螺杆 2—上试件 3—高强度螺栓组件 4—无孔定位法兰5—电涡流位移传感器 6—有孔定位法兰 7—下试件

Melih Eriten等学者以螺栓结合部为例,研究了基于迟滞曲线环法(直接法)和接触共振法(间接法)进行结合面切向刚度和阻尼特性识别的方法,通过对比试验发现直接法更适合于弱联接结合部,间接法更适合于强联接结合部。

H.Ouyang等人通过螺栓结合部动态试验,发现螺栓结合部在时域存在宏观移动和微观滑移现象,并测试出不同螺栓预紧力下的螺栓结合部扭转方向的迟滞曲线,从迟滞曲线可以清楚地看到螺栓结合部从线性黏性阻尼到非线性滑移的变化过程,得出螺栓结合部产生的角位移受螺栓预紧力与激振频率影响的结论。

L.Heller等人基于小波变换识别组合结构的等效模型参数,通过对含两个螺栓结合部的组合梁进行了试验研究,分析了结合面接触面压及面积对组合结构特性的影响。

陈学前、杜强等人设计了螺栓结合部试验系统,通过不同激励下的正弦扫频试验发现其随着激励量级的不同,呈现出较明显的非线性特性,进而将螺栓结合部等效为非线性弹簧质量阻尼器模型,利用试验数据对非线性方程中的系数进行识别,推算出了螺栓结合部的共振频率与相对阻尼系数。

随着科技的发展,出现了新的测量仪器,为螺栓结合部的研究提供了新的条件。Marshall 采用一种非接触式超声波技术,定量分析螺栓结合部的接触面积和面压的分布信息,确定了一系列不同螺栓预紧力作用下界面的压力分布,与以往的测试相比,这种方式的测试结果同真实的接触压力分布相一致,使得测试技术上了一个新台阶。Massimiliano Pau等学者通过对螺栓结合部4种测量技术——光弹技术、放射自显影技术、压敏片技术和超声波技术的优缺点分析,提出使用改进的超声波测量方法扫描螺栓结合部的接触面,结果如图1-5所示。展示了螺栓结合部的接触状态,接触面的应力分布不规则,得出接触表面上的应力从螺孔开始沿径向逐步减小的结论。与接触式测量技术相比,超声波检测不会改变结合面的接触特性,能获得很好的检测精度,它的测量精度受超声探头的大小、频率、焦距等参数的影响。

通过以上螺栓结合部试验研究现状可以看出,目前主要是针对一个具体螺栓结合部结构开展的试验研究,试验结果只能应用于特定模型,如果模型有所变化的话,可能导致结果发生显著变化。相关的试验方法可以借鉴,但试验结果缺乏通用性,难以推广应用。

1.3.3 螺栓结合部特性建模方法的研究

Esteban、Rogers等人建立如图1-6所示的质量-弹簧-阻尼器模型,通过高频耗能来分析紧螺栓和松螺栓系统的刚度,得出松螺栓比紧螺栓的共振幅值低得多。但是该模型下各节点是相互独立的,无法表现结合面的耦合性。这种建模方法简单实用,被很多学者认可采用,但是这种方法难以全面反映螺栓结合部的特性。伍良生、马淑慧等人基于ANSYS有限元软件,对质量-弹簧-阻尼器模型进行了改进,采用弹簧-阻尼器动力学单元建立结合面的刚度-阻尼模型,12个弹簧-阻尼器为一组,视为一个整体动力学单元,1~12均为并联关系,其中1~4提供法向刚度和法向阻尼,5~12提供切向刚度和切向阻尼,建模并仿真了螺栓联接的三段梁的固定结合面,对三段梁缩小模型进行自由状态下的模态分析,通过与试验测试结果的对比,发现这种有限元分析精度有了很大程度的提升。

图1-5 改进的超声波测量方法扫描螺栓结合部的接触面

1—非接触区域 2—螺栓位置 3—接触区域

图1-6 质量-弹簧-阻尼器模型

M.de Benedetti等人将接触区域沿径向划分为三部分(见图1-7),第一部分和第三部分没有滑移,被认为是线性的,第二部分有滑移,根据法向负载和摩擦系数建立有限元模型,进而分析了阻尼效应。这种建模方法比质量-弹簧-阻尼器的结合部模型精确一些,但是螺栓结合部的作用区域与法兰厚度、螺栓预紧力是相关联的,当法兰较薄时,螺栓结合部的作用区域较小一些;当法兰较厚、预紧力较大时其作用区域较大。M.de Benedetti没有分析螺栓的有效作用区域,只是简单地取螺栓半径的整数倍,这样做势必会影响计算精度。

图1-7 分区接触模型

Morteza Iranzad等人基于虚拟材料建立螺栓结合部的有限元模型,先测试出不同预紧力下的螺栓结合部的动态响应值,通过迭代优化方式确定出与响应值对应的虚拟材料的弹性模量、剪切模量、泊松比等参数,再将试验获得的参数代入该有限元模型,以达到简化计算的目的。这种用虚拟材料来模拟柔性结合面的方法是通过试验获取的虚拟材料参数,该参数仅适用于某一特定结构。由于结合部特性具有非线性,试验获取的数据仅适用于某种具体结构,当分析结构变化时,试验获取的参数难以通用。

Sethuraman R.和Kumar T.S假设外载荷统一穿过整个螺栓结合部且各点变形是均匀的,并将螺栓简化为一个易得到其刚度值的受拉杆件。这种方法简单易行,但分析精度有限。

石坤、宋俐等人针对机械结构在数值分析中很难解决的接触面位移的不连续问题,创建了一种包括结合部特性的机械结构结合部界面元模型,对螺栓联接的机械结构分别进行数值计算和试验研究,分析比较计算和试验结果。结果表明,界面元法在处理机械结构结合部有关问题上有较好的效果,该方法为分析机械结构特性开辟了一条新思路,提供了一种新方法。

Matthew Oldfield等人基于摩擦耗能原理利用有限元建立了Jenkins单元和Bouc-Wen模型的简化模型,在简谐激振时能算出能量的损耗、重现迟滞回线。针对Jenkins单元不适合微滑这种情况,又引入了详细的结合面表征建立了Bouc-Wen模型。另外Masing-element模型、LuGre模型、Valanis模型等也用于描述螺栓结合部的非线性特性。

赵宏林、丁庆新和曾鸣等对机械结构的结合部特性进行了理论解析,从最基本的动力学方程出发,推导出了单位平面结合面的静位移与结合部所受力之间的关系,得出静刚度的解析公式,并基于在一个振动周期中,某一方向的输入能量与阻尼消耗的能量相等的理念,推导出单位平面结合部阻尼的理论解析公式。他们对某立式镗铣机床进行整机建模与计算,并与试验结果对比分析。

对于受倾覆力矩的螺栓组联接,传统的受力分析方法是将联接面的受力简化至螺栓联接点,把螺栓视为受轴向力和预紧力,并使各点的力矢和与联接件所受的倾覆力矩达平衡状态。此计算方法虽然过程简单但是误差较大。何胜磊、蔡伟提出面积转换法,即针对螺栓组的一种受力分析方法,把螺栓按相应面积等效转化为联接件实体,将转化以后的螺栓和原来的联接件实体进行叠加,视为一个受弯截面;采用新的抗弯截面系数,计算各点在外力作用下的应力幅,将应力幅与预紧力进行叠加,计算出联接实体以及螺栓的受力。应用该方法的螺栓组受力分析误差小,有一定的理论和实用意义,更适用于受疲劳载荷的重要螺栓分析,如风力发电机组叶片联接螺栓等。

廖静平、张建富等人提出了一种基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法。将螺栓结合部等效为一种局部的虚拟梯度材料,其与被联接件皆为固定联接。通过有限元方法获得了螺栓结合面的接触面压分布情况。在此基础上,应用胡克定律,推导了虚拟梯度材料的弹性常量与径向位置之间的关系。采用分层法建立了基于虚拟梯度材料的螺栓结合面有限元分析模型,分别获取了固结、传统虚拟材料和虚拟梯度材料结合面表征下试件的理论模态,并通过开展模态试验,从振型和固有频率两方面进行了对比分析,验证了虚拟梯度材料建模方法的有效性。

S.H.Ju和C.Y.Fan等人为了研究多螺栓结合部的结构特性建立了有限元弹塑性模型,发现螺栓所承受的压力与螺栓的数目相关,且存在着某种线性比例关系,螺栓结合部的刚度与所承受压力近似呈线性,非线性关系大约只占百分之十,指出螺栓结合部的损坏源于不适合的联接板厚度。

Huajiang Ouyang和Matthew Oldfield等人将Jenkins-element模型的结合面摩擦力矩应用于螺栓结合部的试验,建立了螺栓结合部梁单元的试验模型,用两个特定的频率激振梁单元时,结合面同时发生宏观滑移和微观滑移现象,发现迟滞曲线与螺栓预紧力与激振的幅值相关,随着结合面从微观滑移到宏观滑移的转变,阻尼特性从线性的黏性阻尼发展为非线性的摩擦阻尼,得出结合面的非线性阻尼是由摩擦引起的结论。

Tae Soo Kim等人采用ABAQUS三维实体建模法建立不锈钢薄板螺栓联接的有限元模型,提出一种螺栓联接的薄壁不锈钢板极限强度的修正公式,分析这种螺栓结合部的剪切特性,以预测螺栓联接的载荷-位移曲线,得出卷曲及损坏的最大极限。

螺栓结合部各部件的法向刚度对螺栓结合部的特性有着较大的影响,Feras Alkatan和Pierre Stephan等学者设计出一种螺栓头及结合面法向刚度计算方法,并基于变形耗能原理考虑了材料属性和各部件的摩擦系数对整个结合部特性的影响,提出基于经验公式的螺栓结合部的法向刚度计算方法,以便于螺栓结合部梁单元的有限元建模。Guoqing Yang和Jun Hong等人开展了对构件刚度预测和界面接触条件的研究,将每个螺栓联接的所有几何尺寸与相应的螺栓直径相关联,用被联接件尺寸除以螺栓直径的方法定义为无量纲尺寸,并用有限元仿真不同材料不同尺寸的螺栓结合部,分析了螺栓头结合面的面压分布与无量纲接触尺寸,得到螺栓结合部法向刚度的经验公式。

由于螺纹的存在使得螺栓结合部有限元模型网格划分很难,导致计算量很大。已有学者研究了螺栓结合部的简化处理方法,但是简化处理会降低有限元分析精度。Jeong Kim和Joo-Cheol Yoon等人基于ANSYS有限元软件对含螺栓结构提出了4种螺栓简化处理模型,如图1-9所示,包括实体模型、耦合模型、蜘蛛模型和无螺栓模型。图1-8a所示的实体模型使用三维实体单元模拟螺栓结构,在螺栓头和法兰之间采用面对面接触来预测螺栓的结构特性。图1-8b所示的耦合模型将螺栓看作梁单元建立模型,螺栓头和螺母与该梁单元耦合绑定,将该模型应用于大型船用柴油机上的螺栓联接结构,验证了建模方法的可行性。图1-8c所示的蜘蛛模型用三维梁单元处理螺栓头和螺母,其中螺栓头和螺母采用网状排列梁单元,将螺栓两端与被联接结构联系起来。图1-8d所示的无螺栓模型是仅将螺栓的预紧力施加给被联接结构表面上,没有考虑螺栓头和零件之间以及螺母与零件之间的接触关系。这4种模型仅处理螺栓结构,在一定程度上节约了存储空间,加快了计算速度,但该方法在结合面处理上仍采用有限元软件自带接触模型,难以精确模拟螺栓结合部的实际特性。

黄志东、任继文等人采用ANSYS软件研究了螺旋压力机的螺旋副的螺纹应力和工作压力,得出了不同材料下的螺旋副的螺纹应力和工作压力分布规律,进而得出了应力集中是引起螺旋副结构破坏的关键因素之一,通过与材料力学方法计算得到的结果进行比较,得到获取安全系数的简便方法。

图1-8 Kim等建立的4种螺栓简化处理模型

李波在有限元分析螺栓结合部时简化了螺纹部分,选用UG软件建立模型,用HyperMesh软件划分网络,用ANSYS软件进行有限元分析,充分利用各个软件的优势建立全螺栓模型(见图1-9),得出剪切载荷与位移迟滞曲线如图1-10所示。

图1-9 螺栓结合部模型的网格划分

图1-10 剪切载荷与位移迟滞曲线

Toshimichi Fukuoka和Masataka Nomura认为螺栓结合部特性都是由螺纹的螺旋形状引起的,提出一种网格划分方案,可用于包含螺纹的螺栓结合部有限元分析,并得出螺纹根部应力和接触压力沿螺旋线的变化规律。分析指出螺栓应力最大的地方位于螺纹的根部,而螺母应力最大的地方位于螺母的中线位置上。

何平、刘光复等人建立螺栓结合部的三维螺旋有限元模型和三维轴对称有限元简化模型,并对比分析了两个模型对应各圈螺纹沿外轮廓方向的应力分布和螺纹牙根部最大等效应力。结果显示,两种模型都能较精确地计算出螺栓螺纹上各节点的应力,相比较之下,三维螺旋有限元模型法建模较困难、计算成本较高,三维轴对称有限元简化模型法的计算结果能较好地反映螺栓的轴向力学特性,这项成果为改进螺栓联接受力状况和结构优化设计提供了理论依据。

关于螺栓结合部的建模方法有很多,相比而言,有限元建模为最有效的分析方法。现在虽然有多种螺栓结合部有限元建模方法,但这些方法用于整机方案实现起来较为困难。由于为了确保有限元模型的精确性,需要精细划分螺栓结合部网格,而螺纹使得其网格划分很难,计算量很大,还可能会出现迭代不收敛的情况,因此整机性能分析时需要对每个单元螺栓结合部进行简化,以减小计算量,而现阶段在整机有限元分析时螺栓结合部的简化方法很少,大多数情况下只是将螺栓结合部简单地去掉,导致分析的误差很大。

1.3.4 螺栓结合部参数识别方法的研究

当螺栓结合部力学参数变化时,结合部特性会有相应的改变,为了能精确预测螺栓结合部特性,必须辨识螺栓结合部的动、静态参数。目前识别螺栓结合部参数的方法主要有两种,第一种方法是把结合部参数等效成力加入到模型中,Ren等人提出把结合部等效成外力;Ma等人使用平行于螺栓轴的一个集中力激振时,把结合面效应简化为一外力。第二种方法引入了螺栓结合部特性参数,基于某种螺栓结合部模型推算出螺栓结合部的刚度、阻尼特性及固有频率等参数。

关于螺栓结合部的参数识别的研究很多,有限元法具有直观、适用性强、便于编程计算等优势,已经成为研究工作不可或缺的工具之一。但因有限元法网格划分的不同,使有限元法经常会得出与试验不相符的结果,为了提高有限元的准确性,经常采用有限元与结合部试验相结合的方法,用有限元法预测出螺栓结合部参数,再通过螺栓结合部试验数据来校正有限元预测结果,从而减小误差。

因多自由度的响应测量难度很大,频响函数的测量在大多数情况下的测量是不准确的,Kyung-Taek Yang和Youn-Sik Park基于有限元模型,利用频响函数,采用子集频响函数法,迭代辨识结合部参数,能有效地避免噪声的干扰。

姜东、吴邵庆等人基于薄层单元理论提出一种螺栓结合部不确定参数识别方法,这种方法将已经识别的模型作为基准,应用有限元模型的修正理论来识别不确定性参数,当螺栓联接结构不确定性较小时,能准确识别接触面参数的统计特征。

艾延延、翟学等人基于有限元软件将螺栓联接结构简化为层单元,针对典型的L形螺栓结合部建立了有限元模型,并完成了模态分析,识别出了螺栓结合部的固有频率,并用模态试验验证了这种方法的正确性。

但是有限元法同试验法一样存在着计算误差,这些相互叠加后很难精准地预测出螺栓结合部静、动态参数。为此,很多学者提出了基于多种模型的螺栓结合部参数识别法。

Hamid Ahmadian和Hassan Jalali 建立适用于在特定位置处的激振频率响应算法的螺栓结合部欧拉-伯努利梁模型,用非线性弹簧和阻尼来模拟柔性结合部,预测出螺栓结合部的刚度和阻尼,并通过微调结合面参数,用模型预测与试验数据最小化的办法估算螺栓结合部的刚度和阻尼以达到减小测量误差的目的。

Hassan Jalali和Hamid Ahmadian等人基于弹簧阻尼模型通过接近第一固有频率的一个定频激振,使用加速度计记录激振力的响应,采用位移传感器测量螺栓结合部的振幅,通过建立系统模态坐标控制方程,识别出黏滞阻尼系数。

Yi Zheng采用试验的方法识别出了螺栓结合部的静刚度、固有频率、法向动刚度和切向动刚度,静态试验法通过对一特定的螺栓结合部施加预紧力后,测量结合面处的变形,通过力与变形之间的比值计算出静刚度;动态试验法用弹簧等效接触面,将螺栓结合部简化为梁单元,从而识别出螺栓结合部动刚度,用模态法识别出螺栓结合部的固有频率。

Xi Shi等人基于动力学模型提出螺栓结合部动态参数识别方法,通过定频激振试验识别出螺栓结合部在不同螺栓预紧力下的接触刚度和接触阻尼,发现阻尼随着接触负载的加大而减小,润滑剂和磨损碎片都使接触刚度明显降低,润滑剂能有效地增加阻尼。

Konrad Konowalskit等人给螺栓结合部施加一定的螺栓预紧力后,通过频率响应试验,根据试验数据拟合出法向接触刚度的计算公式。

各国学者提出了多种螺栓结合部参数识别方法,这些方法都必须满足特定的接触条件才能使用,所以在机床整机分析时,难以直接使用这些参数识别结果。 8Nenbcc+zxGmZb5LI8xhoPjDPi/KzAnXxpEtCKeH6rsW8sKC8CIJbf7Um7K1ZD1e

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