复杂冲击载荷下的螺栓松动模型及累积效应研究

Threaded fasteners as standard joints are widely used in different kinds of industrial engineering systems, and have a strong effect on the reliability and safety of such systems. Threaded bolts of high-speed trains and smart armour-piercing projectiles normally bear complicated extreme loads of high frequencies and accelerations. Understanding the dynamic mechanism of impact-induced bolt-slip and accumulative self-loosening with threaded joints is a challenging problem. This project aims to develop a dynamic theory of impact-induced slip and accumulative self-loosening with threaded bolt joints, and establish corresponding simulative FE model and its methodology. SHPB setup is used, assisted with high-speed camera and DIC, to acquire related parameters of dynamic model quantificationally, as well as the evolving process of preload. As a result, the regulation of accumulated amount of loosening with time and accumulated mode of bolts under multiple impacts will be discussed thoroughly, which forms a great theoretical support and analyzing method for the industrial design and application.

螺栓连接结构是一种标准化的、广泛应用的工业紧固件，直接关系到结构与系统的可靠性与安全。在高速列车、智能穿甲弹等典型装置上的连接结构往往承受复杂、高频、高过载等严苛的冲击加载。全面认识螺栓连接结构在冲击载荷作用下的松动演化与失效历程，是一个具有挑战性的基础性问题。本项目拟发展螺栓连接结构冲击滑移与松动累积的动力学理论，建立相关的有限元与多体动力学计算分析方法，并利用霍普金森杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置，辅助以高速摄影和数字图像处理相关技术（digital image correlation, DIC），定量获取相关参数与演化过程，从而获取多次冲击条件下螺栓结构的预紧力衰减与松动累积演化规律，为相关工程设计和应用提供基础支撑和分析工具。

螺栓连接结构是一种标准化的、广泛应用的工业紧固件，直接关系到结构与系统的可靠性与安全。在高速列车、智能穿甲弹等典型装置上的连接结构往往承受复杂、高频、高过载等严苛的冲击加载。尤其是在这特殊的弹-引结构中，连接松动不仅影响结构的可靠性，还会加剧和改变计量单元的结构振动，影响加速度计的计量精度甚至造成引信误判。螺栓结构因界面滑移形成累积的松动效应是导致连接失效的主要原因之一。.本项目主要研究内容有：①螺纹连接结构预紧力松动监测平台，利用霍普金森杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置，辅助以高速摄影和数字图像处理相关技术（digital image correlation, DIC），定量获取相关参数与演化过程；②精细化螺纹结构冲击松动的数值模型，采用预紧-冲击加载计算步（step）实现螺纹结构的预紧力保持、冲击振动等力学响应；③单脉冲条件下螺栓冲击松动演化过程；④螺栓松动影响参数分析，探讨分析摩擦系数、预紧力级别对冲击松动的影响规律；⑤基于剪切增稠液体的螺纹结构松动防护设计，实现工业等效连接结构的松动防护，进一步减少连接件的结构振动。.形成的主要进展包括：螺栓连接结构冲击松动演化图谱；单脉冲作用下螺栓连接结构的波形传递及松动理论；基于剪切增稠液体的螺纹结构减振机理。上述成果对高速列车、弹引结构等特定工业品的相关工程设计和应用提供基础支撑和分析工具，提升产品的可靠性。.基于上述成果，发表青年基金项目第一标注SCI/EI论文两篇，共获得国家发明专利授权2项，支撑一项JKW领域基金项目和一项军口预研（“三化”）项目获批。