(上海宇航系統工程研究所，沈陽)(復旦學院航天民航大學，上海)摘要針對法蘭對接和徑向套接兩種典型艙段螺絲聯接方式，基于有限元靜撓度估算、動力學簡化建模、沖擊響應特點剖析及結構沖擊試驗，系統研究了兩種聯接方式的軸向撓度特點及其對動力學沖擊響應的影響。有限元靜撓度剖析闡明了法蘭對接與徑向套接的軸向拉壓撓度分別是非對稱的和對稱的，而法蘭對接的平均撓度更大。以后，為兩種聯接方式構建了統一的動力學模型，證明非對稱的軸向拉壓撓度造成結構在遭到縱向荷載作用時會形成附加的耦合軸向震動，但是借助高精度冪函數擬合撓度跳變，得到耦合軸向震動頻度是彎曲震動頻度的二倍的推論。最后，通過沖擊動力學試驗證明了法蘭對接存在二外頻的耦合軸向震動，而徑向套接則不存在該耦合震動。徑向套接似乎一階頻度較低，但減振療效更好。關鍵詞螺絲聯接，法蘭對接，徑向套接，撓度特點，耦合震動中圖分類號：V414。1文獻標示碼：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，主要從事結構震動剖析、載荷設計等研究工作。E-mail:@126。com引用格式：邢建偉,兩種典型螺絲聯接結構的撓度特點比較研究。熱學與實踐,2016,38(1):27-,,,etal。?s。,2016,38(1):27-3228聯接結構廣泛應用于各種工程結構中，尤其在客機、衛星等復雜結構的飛行器上大量存在。聯接結構除了明顯降低了減振，同時也改變了整體結構的撓度分布，致使結構動力學響應呈現出顯著的非線性特點[3-5]螺絲聯接是飛行器結構中最常用的一種聯接方式，用于艙段之間的螺絲聯接可分為兩大類：軸向聯接和徑向聯接，其中軸向螺絲法蘭對接和徑向螺絲套接是這兩類聯接方式的典型代表。
剖析、比較這兩種聯接方式的撓度特點，對飛行器結構設計與動力學剖析有著重要的實際意義。能夠構建確切的聯接結構動力學模型，是阻礙飛行器結構動力學剖析的關鍵誘因之一，但迄今為止，還沒有得到才能普遍適用的聯接模型栓聯接的靜力學剖析通常都可以通過有限元方式并考慮接觸面特點得到較為確切的仿真結果而困難重重。不考慮非線性，李效韓等借助等效梁模型線性地模擬子結構之間的聯接撓度，并通過模態試驗數據進行了參數辨識。Kim用有限元法對聯接結構細節進行建模彈簧剛度串聯和并聯的公式，設置界面接觸及磨擦系數，并且這些方式會造成整體估算規模過分龐大且精度不易保證。Iwan模型[11]是一種常用的螺絲聯接非線性模型，它由一列并行的單元構成，每一個單元包含一個線性彈簧單元和一個設定了臨界滑移力的庫侖磨擦單元。Song[12]改進了Iwan模型，提出了AIBE(ents)單元，并通過框架結構試驗證明了采用這些單元可以較好地模擬同參數螺絲聯接的動力學特點。但是，Iwan模型和AIBE單元都是一維的，須要擴充為二維和三維方式應用到實際情[13]，且就本文作者查閱之文獻，未看到其二維情況的實際應用。
據悉，[14]基于Dahl[15]降低了速率影響項，假設接觸面的不平整像毛刷一樣，通過每位刷毛的接觸與分離來模擬動態磨擦力的遲緩現象。Luan[16]提出了一種雙線性彈簧模型，模擬管線法蘭聯接的拉壓撓度不同的特點，采用分區求解的方式數值求解簡化模型的動力學響應，并且該文獻沒有研究螺絲套接聯接方式。本文分別采用法蘭對接和徑向套接的螺絲聯接方式，將兩個鋼筒聯接上去，作為模擬飛行器艙段聯接的實驗結構。首先通過有限元方式，比較剖析了兩種聯接方式的軸向撓度特點；以后，為兩種聯接方式構建統一的動力學模型，借助光滑連續函數[17]擬合聯接段軸向撓度的跳變現象，獲得簡化動力學模型的縱向沖擊響應，剖析了軸向聯接撓度的對稱性對縱向沖擊荷載作用下結構整體動力學響應的影響；最后通過沖擊試驗彈簧剛度串聯和并聯的公式，驗證前述剖析的正確性與有效性，并初步比較了兩種聯接方式的減振特點。靜撓度非線性剖析艙段聯接模型結構如圖的規格、材料完全相同，長400mm、內徑83mm、厚mm、材料為結構鋼(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格的法蘭，腹部由聯接段相連。
兩種螺絲聯接結構示意圖聯接段有兩種聯接方式，軸向對接(軸向螺絲外翻法蘭聯接)和徑向套接(徑向螺絲套接)，法蘭對接的對接面和徑向套接的螺絲中軸均距離兩鋼筒底400mm，以保證兩聯接方式的結構一致性。套接15mm的聯接區內、外分別縮減1。5mm長度，致使兩筒內外套合。兩種聯接在環向都M6內六角形螺母，螺絲預緊力為2。5用有限元法剖析兩種聯接方式的軸向撓度特點，對聯接段尤其是螺絲采用精細建模，接觸面之間的磨擦系數為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到，與徑向套接不同，軸向對接的聯接結構邢建偉等：兩種典型螺絲聯接結構的撓度特點比較研究29在軸向力反向時位移曲線發生偏折，即軸向撓度發生改變。部份組成，其總體撓度kP1P2部分區域的撓度串聯而成。假定聯接段影響區域為20mm，其撓度為140mm。按照材料熱學公式，A筒壁區的軸向撓度相等，均為其中，E為鋼材料楊氏泊松比，A兩種聯接方式聯接段的軸向靜撓度如表1所示。
兩種聯接方式的軸向靜撓度聯接撓度軸向對接/(Nm對稱性非對稱對稱可知，忽視徑向套接軸向拉壓撓度間的估算偏差(0。9%,1。4%)，法蘭對接結構的軸向拉壓撓度不對稱、徑向套接結構的軸向拉壓撓度對稱，這是法蘭對接結構軸向撓度重要的非線性特點。徑向套接的拉伸撓度要小于軸向對接，這是因為法蘭在遭到拉伸作用時，法蘭面之間不傳遞拉力而全部由螺絲本身受力，撓度自然會增加；另一方面，軸向法蘭對接的壓縮撓度要小于徑向套接，這時法蘭面之間垂直接觸傳遞壓力而套接面之間則需要通過磨擦力和螺絲的剪切變型傳遞壓力，其實前者的軸向撓度更高。綜合拉伸與壓縮撓度，設平均撓度為表示壓撓度。由于聯接結構從拉伸(壓縮)到壓縮(拉伸)完成一個受力循環，所以平均撓度可以覺得是一個綜合評定拉伸與壓縮共同作用療效的指標。軸向對接與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，假如整體結構存在動力學響應，即聯接結構發生多次從拉伸到壓縮的受力循