摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验_丁振东.pdf

收稿日期：2021-01-11基金项目：国家科技重大专项（2017-V-0006-0043）资助作者简介：丁振东（1996），男，在读硕士研究生。引用格式：丁振东，赵振华，罗刚，等.摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验J.航空发动机，2023，49（3）：105-111.DING Zhendong，ZHAO Zhenhua，LUO Gang，et al.Test for impact load trans-fer characteristics of slip-critical bolted connectionsJ.Aeroengine，2023，49（3）：105-111.摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验丁振东1，2，赵振华1，2，罗刚1，2，张峰旗1，2，陈伟1，2（1.南京航空航天大学 能源与动力学院，2.工信部航空发动机热环境与热结构重点实验室：南京 210016）摘要：为了研究接触、摩擦和预紧力等非线性因素对摩擦型螺栓连接动态载荷传递特性的影响，利用空气炮装置发射钛合金圆柱弹、钢球和冰球，开展了高速冲击试验，获得了冲击响应曲线。试验结果表明：金属弹体的撞击不能忽略弹体本身结构变形带来的影响，相较圆柱弹，球形弹冲击产生的冲击载荷峰值小，载荷传递率大；金属弹体撞击产生的冲击载荷波形杂乱且变化剧烈，螺栓连接的摩擦滑移导致的能量耗散使载荷传递率小于1，冰球撞击的载荷波形变化平缓，结合面的摩擦等非线性因素对载荷传递的影响较金属弹体冲击的情况小；加大拧紧力矩、增大结合面粗糙度会导致冲击刚度增大，冲击刚度基本不受外激励影响；减小拧紧力矩、结合面越光滑、加大冰球冲击能量会使载荷传递率降低；载荷传递率和损耗因子呈线性关系，当损耗因子小于0.59时，结合面处的摩擦耗散将使载荷传递率小于1。关键词：螺栓连接；冲击载荷；载荷传递；冲击刚度；损耗因子；高速冲击试验；非线性因素中图分类号：V232.7文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.013Test for Impact Load Transfer Characteristics of Slip-critical Bolted ConnectionsDING Zhen-dong1，2，ZHAO Zhen-hua1，2，LUO Gang1，2，ZHANG Feng-qi1，2，CHEN Wei1，2（1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Aeroengine Thermal Environment and Structure Key Laboratory of Ministry of Industry and Information Technology，Nanjing 210016，China）Abstract：In order to study the influence of non-linear factors such as contact，friction，and preload on the dynamic load transfercharacteristics of slip-critical bolted connections，high-speed impact tests were carried out using an air gun device to launch titanium alloy cylindrical projectiles，steel balls，and ice balls，and the impact response curves were obtained.The test results show that the impactof the metal projectile cannot ignore the influence of the structural deformation of the projectile itself.Compared with the cylindrical projectile，the impact load peak value generated by the spherical projectile is smaller and the load transfer rate is higher.The impact load waveform caused by the impact of the metal projectile is messy and changes drastically.The energy dissipation caused by the friction slip of theslip-critical bolted connections makes the load transfer rate less than 1.The load waveform of the ice ball impact changes gently.The influence of nonlinear factors such as joint surface friction on the load transfer is less than that of the metal projectile impact.Increasing thetightening torque and the roughness of the joint surfaces will increase the impact stiffness，which is basically not affected by external excitation.Decreasing the tightening torque and the roughness of the joint surface，and increasing the impact energy of the ice balls will decreasethe load transfer rate.The load transfer rate is linear with the loss factor，and when the loss factor is less than 0.59，the friction dissipationat the joint surface will make the load transfer rate less than 1.Key words：bolted connection；impact load；load transfer；impact stiffness；loss factor；high-speed impact test；non-linear factors航空发动机Aeroengine0引言在对螺栓连接进行抗剪设计时，通常分为承压型和摩擦型2类。前者允许被连接件间发生相对滑移，依靠摩擦力以及螺栓杆和孔壁间的相互作用传递载荷；后者的螺栓杆和孔壁始终保持间隙，依靠结合面间的摩擦力传递载荷，具有刚度大、整体性好和可靠性高等特点，广泛应用于航空发动机结构中1-3。航空发动机在工作中可能遭遇硬物撞击（如金属外物、飞脱的叶片）和软物撞击（如鸟、冰撞击）等极端情况，第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023航空发动机第 49 卷冲击载荷在极短的时间内通过螺栓连接结构传递，使结合面出现松动、滑移等现象，在接触、摩擦和预紧力等非线性因素的耦合作用下，发动机机匣、鼓筒等结构的动力学响应呈现出复杂的非线性特征4-5，给发动机的结构性能监测和连接部件的抗冲击设计带来较大的困难。因此，研究摩擦型螺栓连接结构的冲击载荷传递特性具有重要的实际意义。Zhao等6-8采用锤击试验的方法研究螺栓连接结构的刚度特性和能量耗散，但锤击试验激励能量较小，不能反映冲击载荷下连接结构的接触非线性特征；Vingsbo等9的研究表明，在外激励作用下，连接结构的接触可以分为粘附、微滑移和滑移3种状态，存在摩擦滞后的现象；Bograd等10采用幅值较小的正弦激励获得了螺栓连接结构的迟滞回线，并根据迟滞回线计算损耗因子和切向接触刚度；Li等11利用螺栓连接结构的微动测试设备获得了接触刚度和摩擦系数随螺栓预紧力以及外激励幅值的变化规律；Guo12的研究表明，当外激励为作用时间较短、幅值较高的冲击载荷时，螺栓连接结构的响应分为冲击响应为主导的阶段和振动响应阶段，由于非连续界面的影响，响应的频率比冲击载荷的频率低，而且较高的冲击频率会导致较大的阻尼比；Sanborn等13测得了摩擦型螺栓连接在低速和高速冲击下的载荷响应，确定了接触面滑移所需的载荷大小，并分析了冲击能量的耗散。以上研究没有考虑预紧力和结合面表面情况的影响，有关螺栓连接结构在高能冲击下载荷传递特性方面的研究还有待深入开展。本文利用空气炮装置开展冲击试验，以获得螺栓连接结构在金属和冰冲击下的载荷响应特征，研究螺栓拧紧力矩、结合面的表面粗糙度和冲击能量对冲击载荷传递的影响，并通过迟滞回线分析其冲击刚度和能量耗散特性，揭示能量耗散与冲击载荷传递的关系。1冲击载荷传递试验1.1试验件摩擦型螺栓连接试验件的几何尺寸如图1所示。被连接件的材料为45钢，由1个规格为M10高强度螺栓压紧，螺栓采用精装配，孔径为10.5 mm，略大于螺栓的公称直径。考虑到试验环境和传感器安装要求，被连接件上有圆弧过渡防止应力集中，并加工有安装螺纹。按照HB/Z 223.2-200314要求，利用丙酮溶剂清除被连接件表面的油污，确定连接件没有毛刺、损伤和锈蚀等缺陷。装配时螺栓沿孔的轴线装入，采用定力矩扳手转动螺母施加拧紧力矩。拧紧过程分为2步进行：先拧紧到指定力矩的70%，再拧紧到指定力矩。1.2试验设备冲击试验台设置如图2所示。试验设备包括空气炮装置、高速摄影和补光系统、响应采集系统以及固定支撑和防护靶室。通过控制空气炮注气压力来加速弹丸，利用高速摄影仪测量弹丸的冲击速度和观察冲击过程。为了对比分析不同形状弹丸的冲击特征，试验分别采用了20 g的TC4合金圆柱弹、20 g的钢球以及8 g的冰球，如图3所示。为保证试验数据的一致性，试验采用的冰球为同一批次，在-10 的环境中用蒸馏水制备。弹丸的冲击载荷和响应分别通过冲击板后端的图1摩擦型螺栓连接试验件的几何尺寸图2冲击试验台设置1空气炮管；2弹丸；3补光灯；4高速摄影仪；5冲击板；6&12动态力传感器；7&11加速度传感器；8&10被连接件；9M10螺栓；13三角支撑；14防护靶室；15电压电荷转换器；16多通道动态信号采集仪；17计算机（a）剖视（b）主视5010R2010.56A-A35AA7 8835121106丁振东等：摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验第 3 期动态力传感器和安装在固定支撑上的动态力传感器测量；2个加速度传感器通过螺纹分别固定在被连接件前后2个端面上，传感器的型号和主要性能参数见表1，传感器信号由DH5981型多通道动态信号采集仪同步采集，采集频率设置为100 kHz。2试验结果及分析2.1冲击试验结果螺栓连接试验件受到冲击时的典型载荷响应曲线如图4所示。由于载荷通过连接结构传递，因此响应载荷滞后于冲击载荷。响应包括2个阶段，即冲击响应为主导的阶段（阶段）和振动响应阶段（阶段）12。相比振动响应阶段，冲击响应阶段持续时间短，峰值较大。载荷传递率定义12为=FomaxFimax（1）式中：为载荷传递率；Fimax为冲击载荷峰值最大值；Fomax为响应载荷峰值最大值。不同冲击条件下的试验结果见表2。2.2硬物和软物冲击特征钛合金圆柱弹冲击加载和卸