(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，沈陽(yáng))(復(fù)旦學(xué)院航天民航大學(xué)，上海)摘要針對(duì)法蘭對(duì)接和徑向套接兩種典型艙段螺絲聯(lián)接方式，基于有限元靜撓度估算、動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化建模、沖擊響應(yīng)特點(diǎn)剖析及結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了兩種聯(lián)接方式的軸向撓度特點(diǎn)及其對(duì)動(dòng)力學(xué)沖擊響應(yīng)的影響。有限元靜撓度剖析闡明了法蘭對(duì)接與徑向套接的軸向拉壓撓度分別是非對(duì)稱的和對(duì)稱的，而法蘭對(duì)接的平均撓度更大。以后，為兩種聯(lián)接方式構(gòu)建了統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)模型，證明非對(duì)稱的軸向拉壓撓度造成結(jié)構(gòu)在遭到縱向荷載作用時(shí)會(huì)形成附加的耦合軸向震動(dòng)，但是借助高精度冪函數(shù)擬合撓度跳變，得到耦合軸向震動(dòng)頻度是彎曲震動(dòng)頻度的二倍的推論。最后，通過(guò)沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)證明了法蘭對(duì)接存在二外頻的耦合軸向震動(dòng)，而徑向套接則不存在該耦合震動(dòng)。徑向套接似乎一階頻度較低，但減振療效更好。關(guān)鍵詞螺絲聯(lián)接，法蘭對(duì)接，徑向套接，撓度特點(diǎn)，耦合震動(dòng)中圖分類號(hào)：V414。1文獻(xiàn)標(biāo)示碼：Adoi：10。6052/1000-0879-15-(,,China),,,China)?olted?。
First,???,。ti??ncy。uni??i?ness。?,,。,?,-。
ncy?。,?,,sti?,本文于2015–12–03收到。博士，主要從事結(jié)構(gòu)震動(dòng)剖析、載荷設(shè)計(jì)等研究工作。E-mail:@126。com引用格式：邢建偉,兩種典型螺絲聯(lián)接結(jié)構(gòu)的撓度特點(diǎn)比較研究。熱學(xué)與實(shí)踐,2016,38(1):27-,,,etal。?s。,2016,38(1):27-3228聯(lián)接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)中，尤其在客機(jī)、衛(wèi)星等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的飛行器上大量存在。聯(lián)接結(jié)構(gòu)除了明顯降低了減振，同時(shí)也改變了整體結(jié)構(gòu)的撓度分布，致使結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)出顯著的非線性特點(diǎn)[3-5]螺絲聯(lián)接是飛行器結(jié)構(gòu)中最常用的一種聯(lián)接方式，用于艙段之間的螺絲聯(lián)接可分為兩大類：軸向聯(lián)接和徑向聯(lián)接，其中軸向螺絲法蘭對(duì)接和徑向螺絲套接是這兩類聯(lián)接方式的典型代表。
剖析、比較這兩種聯(lián)接方式的撓度特點(diǎn)，對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)剖析有著重要的實(shí)際意義。能夠構(gòu)建確切的聯(lián)接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，是阻礙飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)剖析的關(guān)鍵誘因之一，但迄今為止，還沒(méi)有得到才能普遍適用的聯(lián)接模型栓聯(lián)接的靜力學(xué)剖析通常都可以通過(guò)有限元方式并考慮接觸面特點(diǎn)得到較為確切的仿真結(jié)果而困難重重。不考慮非線性，李效韓等借助等效梁模型線性地模擬子結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)接撓度，并通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)。Kim用有限元法對(duì)聯(lián)接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行建模彈簧剛度串聯(lián)和并聯(lián)的公式，設(shè)置界面接觸及磨擦系數(shù)，并且這些方式會(huì)造成整體估算規(guī)模過(guò)分龐大且精度不易保證。Iwan模型[11]是一種常用的螺絲聯(lián)接非線性模型，它由一列并行的單元構(gòu)成，每一個(gè)單元包含一個(gè)線性彈簧單元和一個(gè)設(shè)定了臨界滑移力的庫(kù)侖磨擦單元。Song[12]改進(jìn)了Iwan模型，提出了AIBE(ents)單元，并通過(guò)框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)證明了采用這些單元可以較好地模擬同參數(shù)螺絲聯(lián)接的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。但是，Iwan模型和AIBE單元都是一維的，須要擴(kuò)充為二維和三維方式應(yīng)用到實(shí)際情[13]，且就本文作者查閱之文獻(xiàn)，未看到其二維情況的實(shí)際應(yīng)用。
據(jù)悉，[14]基于Dahl[15]降低了速率影響項(xiàng)，假設(shè)接觸面的不平整像毛刷一樣，通過(guò)每位刷毛的接觸與分離來(lái)模擬動(dòng)態(tài)磨擦力的遲緩現(xiàn)象。Luan[16]提出了一種雙線性彈簧模型，模擬管線法蘭聯(lián)接的拉壓撓度不同的特點(diǎn)，采用分區(qū)求解的方式數(shù)值求解簡(jiǎn)化模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并且該文獻(xiàn)沒(méi)有研究螺絲套接聯(lián)接方式。本文分別采用法蘭對(duì)接和徑向套接的螺絲聯(lián)接方式，將兩個(gè)鋼筒聯(lián)接上去，作為模擬飛行器艙段聯(lián)接的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。首先通過(guò)有限元方式，比較剖析了兩種聯(lián)接方式的軸向撓度特點(diǎn)；以后，為兩種聯(lián)接方式構(gòu)建統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)模型，借助光滑連續(xù)函數(shù)[17]擬合聯(lián)接段軸向撓度的跳變現(xiàn)象，獲得簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的縱向沖擊響應(yīng)，剖析了軸向聯(lián)接撓度的對(duì)稱性對(duì)縱向沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響；最后通過(guò)沖擊試驗(yàn)彈簧剛度串聯(lián)和并聯(lián)的公式，驗(yàn)證前述剖析的正確性與有效性，并初步比較了兩種聯(lián)接方式的減振特點(diǎn)。靜撓度非線性剖析艙段聯(lián)接模型結(jié)構(gòu)如圖的規(guī)格、材料完全相同，長(zhǎng)400mm、內(nèi)徑83mm、厚mm、材料為結(jié)構(gòu)鋼(密度為850kg/m、彈性撓度為210GPa、泊松比為0。3)，兩鋼筒末端均焊有相同規(guī)格的法蘭，腹部由聯(lián)接段相連。
兩種螺絲聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖聯(lián)接段有兩種聯(lián)接方式，軸向?qū)?軸向螺絲外翻法蘭聯(lián)接)和徑向套接(徑向螺絲套接)，法蘭對(duì)接的對(duì)接面和徑向套接的螺絲中軸均距離兩鋼筒底400mm，以保證兩聯(lián)接方式的結(jié)構(gòu)一致性。套接15mm的聯(lián)接區(qū)內(nèi)、外分別縮減1。5mm長(zhǎng)度，致使兩筒內(nèi)外套合。兩種聯(lián)接在環(huán)向都M6內(nèi)六角形螺母，螺絲預(yù)緊力為2。5用有限元法剖析兩種聯(lián)接方式的軸向撓度特點(diǎn)，對(duì)聯(lián)接段尤其是螺絲采用精細(xì)建模，接觸面之間的磨擦系數(shù)為0。2，將筒B的下表面固定、在筒A的上表面分別施加軸向壓力和拉力(分別從漸降低到800(分別距離所在鋼筒底面250mm，即兩者寬度300mm)之間的軸向位移差P1P2，得到力--位移曲線如圖所示。從圖上可以直觀地聽(tīng)到，與徑向套接不同，軸向?qū)拥穆?lián)接結(jié)構(gòu)邢建偉等：兩種典型螺絲聯(lián)接結(jié)構(gòu)的撓度特點(diǎn)比較研究29在軸向力反向時(shí)位移曲線發(fā)生偏折，即軸向撓度發(fā)生改變。部份組成，其總體撓度kP1P2部分區(qū)域的撓度串聯(lián)而成。假定聯(lián)接段影響區(qū)域?yàn)?0mm，其撓度為140mm。按照材料熱學(xué)公式，A筒壁區(qū)的軸向撓度相等，均為其中，E為鋼材料楊氏泊松比，A兩種聯(lián)接方式聯(lián)接段的軸向靜撓度如表1所示。
兩種聯(lián)接方式的軸向靜撓度聯(lián)接撓度軸向?qū)?(Nm對(duì)稱性非對(duì)稱對(duì)稱可知，忽視徑向套接軸向拉壓撓度間的估算偏差(0。9%,1。4%)，法蘭對(duì)接結(jié)構(gòu)的軸向拉壓撓度不對(duì)稱、徑向套接結(jié)構(gòu)的軸向拉壓撓度對(duì)稱，這是法蘭對(duì)接結(jié)構(gòu)軸向撓度重要的非線性特點(diǎn)。徑向套接的拉伸撓度要小于軸向?qū)樱@是因?yàn)榉ㄌm在遭到拉伸作用時(shí)，法蘭面之間不傳遞拉力而全部由螺絲本身受力，撓度自然會(huì)增加；另一方面，軸向法蘭對(duì)接的壓縮撓度要小于徑向套接，這時(shí)法蘭面之間垂直接觸傳遞壓力而套接面之間則需要通過(guò)磨擦力和螺絲的剪切變型傳遞壓力，其實(shí)前者的軸向撓度更高。綜合拉伸與壓縮撓度，設(shè)平均撓度為表示壓撓度。由于聯(lián)接結(jié)構(gòu)從拉伸(壓縮)到壓縮(拉伸)完成一個(gè)受力循環(huán)，所以平均撓度可以覺(jué)得是一個(gè)綜合評(píng)定拉伸與壓縮共同作用療效的指標(biāo)。軸向?qū)优c徑向套接的平均撓度分別為1。,746。9MPa，這意味著從總體療效上看，假如整體結(jié)構(gòu)存在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，即聯(lián)接結(jié)構(gòu)發(fā)生多次從拉伸到壓縮的受力循