本發明屬于機械設計與制造領域，特別涉及一種栓接結合部能量耗散特性測試裝置與建模方法。

背景技術：

機械結構是由許多零部件按一定功能要求結合起來的整體，螺栓連接是其中主要形式之一。通過螺栓連接的結構主要由結合面和螺栓連接兩部分組成。由于結合面的非線性特性和螺栓連接因間隙、干摩擦、預應力和初始變形等因素產生的非線性，使得栓接結合部對整體結構動態性能影響很大，作用機理極其復雜。影響結合面動態特性的因素很多，而且十分復雜，這些因素主要有：結合面材質、結合面的加工方法、結合面的加工質量、結合面的介質狀況、結合面預緊力的大小、結合面的動載荷性質和大小、結合面間的相對位移性質、振動頻率、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律和影響程度的大小，必須通過實驗研究的方法來予以解決。另外，由于螺栓的預緊可能是各種不同的力值。

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

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種栓接結合部能量耗散特性測試裝置、測試方法與建模方法，以解決上述技術問題。本發明設計螺栓連接試件，通過力拉伸試驗機獲得不同預緊力下栓接結合部能量耗散特性；利用基礎實驗數據和模型，測試栓接結合部能量耗散特性。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案：

栓接結合部能量耗散特性測試裝置，包括力拉伸試驗機、上試件、下試件、螺栓、應變片、電橋、動態應變儀、信號采集系統和計算機；上試件與力拉伸試驗機的上夾具固定，下試件與力拉伸試驗機的下夾具固定；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變片，該應變片連接電橋，電橋通過動態應變儀連接信號采集系統；力拉伸試驗機上設有用于測量力拉伸試驗機的力和位移的力傳感器和位移傳感器，動態應變儀、力傳感器和位移傳感器均連接信號采集系統；信號采集系統連接計算機，用于將采集的螺栓預緊力、力拉伸試驗機的力和位移數據傳送給計算機。

進一步的，上試件與下試件結構尺寸相同，頂部設置多處凸起，將結合面分為互不相連的多個區域，上下試件頂部凸起相互嚙合，使試件與力拉伸試驗機在同一軸線上。

進一步的，螺栓為M16的10.9S級高強度螺栓。

進一步的，上試件和下試件為同種材料或異種材料。

進一步的，上試件和下試件間不加任何潤滑介質。

進一步的，上試件與下試件頂部凸起的個數均為4個，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生。

栓接結合部能量耗散特性測試裝置的測試方法，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機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機的上夾具相連；調節螺栓，使預應力達到設定值，設置不同激振頻率、相位和相位增角參數，進行力拉伸與壓縮試驗；分別提取力和位移試驗數據，獲取能量耗散特性曲線。

進一步的，多次試驗，獲取不同預緊力下栓接結合部的能量特性曲線。

一種獲取栓接結合部能量耗散特性的建模方法，包括以下步驟：

1)建立栓接結合部法向接觸載荷模型：

根據Hertz接觸理論，單個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合部微觀表面分布函數；

三角形分布函數

式中：a為底線，b為上線，c為眾數；

根據高斯分布和三角形分布函數，可確定式(3)：

從而求得新的栓接結合部微凸體高度分布函數：

栓接結合部法向載荷：

式中：ηA₀表示微凸體的個數；A₀表示結合面名義接觸面積；η表示微凸體的分布密度；

2)建立完全滑移時栓接結合部最大切向載荷模型

根據Coulomb摩擦理論

式中：μ_f表示摩擦系數；

3)建立部分滑移時栓接結合部切向載荷模型

①加載過程

在加載過程中出現兩種運動狀態即滑移與粘著，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表示栓接結合部切向位移；

根據三角形分布，得部分滑移加載時栓接結合部切向載荷：

②卸載過程

在卸載過程中就出現三種狀態：粘著、粘著-滑移和滑移，對應如下三種載荷：

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^*)；

卸載時栓接結合部切向載荷：

③重加載過程

根據massing準則，加載與卸載過程中，切向載荷關系如下，其中，表示重加載時的切向載荷；

4)建立栓接結合部能量耗散模型

對于單個微凸體一個周期的能量耗散表示為

栓接結合部的能量耗散模型為：

進一步的，采用栓接結合部能量耗散特性測試裝置，測量栓接結合部的力-位移關系，采用所測量的栓接結合部的力-位移關系曲線驗證所建立的栓接結合部的能量耗散模型。

一種栓接結合部能量耗散特性測試方法，對于不同預緊力的栓接結合部的能量耗散特性，采用栓接結合部能量耗散特性測試裝置的測試方法對多種不同預緊力栓接結合部的能量耗散特性進行模擬，從而獲得各種預緊力下栓接結合部的能量耗散特性曲線，測試栓接結構的能量耗散特性；所述電橋和動態應變儀是用來測試螺栓預緊力的大小，根據高強度螺栓所產生的應變，利用轉換曲線將其轉換為力。

相對于現有技術，本發明的優點在于：

(1)從實驗裝置可看出，測試出來的特性參數僅僅是上下試件之間栓接結合部的能量耗散特性，減少了測量的物理量的個數，所以能夠保證栓接結合部能量耗散特性從實驗裝置系統的動特性中較容分離出來。而且采用的是直接測量法。

(2)為了便于對影響螺栓連接能量耗散特性的各基本影響因素進行研究，本實驗裝置結構簡單、易于更換、易于定位，能夠進行重復試驗。

(3)本實驗裝置所設計上下試件相互接觸為三對結合面，減小了單一結合面大加工誤差致使整個結合面數據不可靠的風險，使試驗測得的試驗數據更加準確。

(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械振動帶來的結合面偏差，從而使試驗數據更加準確。

(5)本試驗裝置在設計上下試件時，結合面處僅僅受到切向力的作用，而沒有受到法向力。

(6)本發明的建模方法全面分析了栓接結合部的加載過程，卸載過程和重加載過程，理論依據充實，推導過程嚴密，與實際過程一致，是一種全新的建模方法。

附圖說明

圖1是本發明測試栓接結合部能量耗散特性的裝置原理圖。

圖2是本試驗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為高斯分布函數與三角形分布函數的示意圖。

具體實施方式

以下結合工作原理和結構附圖對本發明的測試螺栓能量耗散特性裝置作進一步詳細說明。如圖1至圖4(b)所示，本發明一種栓接結合部能量耗散特性的測試裝置，包括力拉伸試驗機4、上試件2、下試件5、高強度螺栓3、應變片、電橋、動態應變儀、信號采集系統和計算機。利用力矩扳手將上試件2與力拉伸試驗機4的上夾具1固定，下試件5與力拉伸試驗機4的下夾具6固定；利用力拉伸試驗機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，調節力拉伸試驗機4的上夾具1后，將上試件2夾緊；延高強度螺栓3的螺桿軸線中心處植有應變片，該應變片固定在螺栓3內部并引線連接外部的電橋，電橋連接動態應變儀，利用電橋和動態應變儀獲得螺栓預緊力的大小，動態應變儀通過信號采集系統將采集的預緊力信息送至計算機中；力拉伸試驗機4的力和位移分別通過力傳感器和位移傳感器送至計算機中，從而獲取不同預緊力下栓接結合部能量耗散特性曲線；從而根據能量耗散曲線研究栓接結合部的非線性特性。本發明中螺栓3選用M16的10.9S級高強度扭剪型螺栓。

上試件與下試件結構尺寸相同，頂部設置多處凸起，將結合面分為互不相連的多個區域，上下試件頂部凸起相互嚙合，使試件與力拉伸試驗機在同一軸線上。上試件與下試件頂部凸起的個數均為4個，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生。

本發明中上試件2和下試件5上對應設置一個連接孔；該連接孔設置于中線上。

測試時，首先將上試件2與下試件5通過高強度螺栓3相連，設定預緊力。力拉伸試驗機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與力拉伸試驗機4的上夾具相連。將高強度螺栓3中的應變片與電橋相連，電橋與動態應變儀相連，通過力矩扳手調節螺栓預緊力的大小。確定預緊力之后，設置不同激振頻率、相位、相位增角參數，進行力拉伸與壓縮試驗。分別提取力和位移試驗數據，分別研究：預緊力和激勵頻率相同，激勵幅值不同情況下的能量耗散特性情況；激勵幅值和激勵頻率相同，預緊力不同情況下的能量耗散特性情況；激勵幅值和預緊力相同，激勵頻率不同情況下的能量耗散特性情況。

利用本發明一種栓接結合部能量耗散特性測試裝置來測試不同預緊力下的栓接結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，獲取不同預緊力下的栓接結合部的能量耗散特性曲線；根據不同條件下的試驗數據，研究影響栓接結合部能量耗散特性的主要因素及主要因素對不同預緊力栓接結合部影響的規律。對于不同預緊力栓接結合部的能量耗散特性，采用模型來進行模擬，達到預測不同預緊力下栓接結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、結合面的加工方法、結合面的加工質量、結合面的介質狀況、結合面間的相對位移性質、整體結構的動載荷性質和大小、振動頻率、螺栓預緊力的大小等因素)可以做不同條件下的實驗，從而獲取不同條件下栓接結合部能量耗散特性，根據實驗數據研究影響不同預緊力栓接結合部能量耗散特性的主要因素及主要因素對能量耗散特性影響的規律，從而預測不同預緊力的栓接結合部的能量耗散特性。

本發明一種獲取栓接結合部能量耗散特性的建模方法，包括以下步驟：

1)建立栓接結合部法向接觸載荷模型：

根據Hertz接觸理論，單個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合部微觀表面分布函數；

三角形分布函數

式中：a為底線，b為上線，c為眾數；

根據高斯分布和三角形分布函數，可確定式(3)：

從而求得新的栓接結合部微凸體高度分布函數：

栓接結合部法向載荷：

式中：ηA₀表示微凸體的個數；A₀表示結合面名義接觸面積；η表示微凸體的分布密度；

2)建立完全滑移時栓接結合部最大切向載荷模型

根據Coulomb摩擦理論

式中：μ_f表示摩擦系數；

3)建立部分滑移時栓接結合部切向載荷模型

①加載過程

在加載過程中出現兩種運動狀態即滑移與粘著，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表示栓接結合部切向位移；

根據三角形分布，得部分滑移加載時栓接結合部切向載荷：

②卸載過程

在卸載過程中就出現三種狀態：粘著、粘著-滑移和滑移，對應如下三種載荷：

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^*)；

卸載時栓接結合部切向載荷：

③重加載過程

根據massing準則，加載與卸載過程中，切向載荷關系如下，其中，表示重加載時的切向載荷；

4)建立栓接結合部能量耗散模型

對于單個微凸體一個周期的能量耗散表示為

栓接結合部的能量耗散模型為：

采用栓接結合部能量耗散特性測試裝置，測量栓接結合部的力-位移關系，采用所測量的栓接結合部的力-位移關系曲線驗證所建立的栓接結合部的能量耗散模型，該模型能夠真實的反應栓接結合部的力-位移關系。