单搭接单螺栓连接板的力学特性研究

摘要

在航空航天与机械工程领域，板件与板件的连接常选用螺栓连接。但是，由于机械加工、热处理、装配和工作环境等原因，螺栓连接板的力学性能受到诸多不确定参数的影响。 为了评价不确定性参数对螺栓连接板力学特性（诸如孔位置应力、滑移刚度和系统模态频率）的影响，论文以单搭接单螺栓连接板为对象，首先，建立了螺栓连接板孔周应力分析模型、微滑移等效刚度模型及振动模态方程。然后，定性讨论了孔径变化、预紧力大小、螺栓偏心安装对孔位置应力水平、微滑移等效刚度和系统模态频率的作用机制。接着，借助ABAQUS平台和Python语言开发了含不确定性参数的单搭接单螺栓连接板参数化有限元分析模型，并通过试验验证了模型的有效性。在此基础上，探索了孔间隙变化、预紧力大小、偏心程度对孔位置应力水平、微滑移等效刚度、模态频率的影响程度。 结果表明，螺栓孔径、预紧力和偏心安装均不改变孔应力集中位置；孔径为螺栓直径的1~1.3倍时，0mm和1.5mm孔深处孔周应力随孔径的增大可降低30%~40%；孔径为螺栓直径的1.1~1.2倍时，3mm孔深处孔周应力与孔径之间呈开口向上的抛物型，增大孔径对应力水平几乎无影响；螺栓偏心安装时，应力峰值与螺栓轴线的接近程度相关；增加预紧力会增大孔周应力。孔径为螺栓直径的1~1.1倍、1.12~1.2倍或1.22~1.28倍时，如果微滑移小于0.035mm，连接刚度随横向位移载荷的增加而增大；反之，连接刚度随横向位移载荷的增加而减小。偏心安装对连接刚度的影响甚微。预紧力是螺栓发生屈服时预紧力的0.15~0.33倍和0.45~0.7倍时，预紧力变化对连接刚度影响较小；反之，预紧力对连接刚度的影响可达到50%。孔径是螺栓直径的1.04~1.16倍时，孔径变化对模态频率的影响基本上可忽略；但是，当孔径与螺栓直径的比值大于1.21时，螺栓孔径变化对模态频率的影响程度各异，与边界条件有关。 最后，基于不确定性参数与螺栓连接板的力学特性之间的内在联系，分别提出了基于抗振疲劳设计的最优孔径设计方法和基于连接刚度的最优预紧力设计方法。本文取得的研究结果为螺栓连接结构的动力学设计和抗疲劳设计提供了新的思路。

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 螺栓连接力学特性的国内外研究现状

1.3 螺栓连接设计中亟待解决的问题

1.4 本文工作及研究方法

第2章 螺栓连接板的力学特性

2.1引言

2.2螺栓连接板设计中的不确定性参数源

2.3螺栓接头孔周应力分析

2.4螺栓接头微滑移刚度分析

2.5螺栓连接板振动特性分析

2.6本章小结

第3章 螺栓连接板的参数化建模

3.1引言

3.2螺栓连接预紧力施加技术

3.3 网格划分技术

3.4 螺栓连接板参数化建模技术

3.5 参数化有限元建模流程

3.6有限元动力学模型验证

3.7本章小结

第4章 不确定性参数对螺栓连接板力学特性的影响

4.1引言

4.2数值计算策略

4.3 螺栓接头孔周应力

4.4 螺栓接头微滑移阶段连接刚度

4.5 螺栓连接板的振动特性

4.6本章小结

第5章 螺栓连接板的设计方法研究

5.1 引言

5.2 基于抗共振的螺栓接头最优孔径设计

5.3 基于连接刚度的螺栓接头最优预紧力设计

5.4 基于微滑移特性的螺栓组间距设计

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 创新与主要结论

6.2研究展望

参考文献

作者在研期间科研情况说明

致谢

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