一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法技术

本发明专利技术属于螺纹松脱技术领域，提供了一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，包括对螺纹模型进行受力和松脱分析、对微动滑移状态的分析、建立微动滑移模型、建立仿真模型、基于纹耗散能的微动滑移状态分析、采用微动图分析微动滑移状态。本发明专利技术在充分考虑微动摩擦对螺纹松脱影响的基础上，提出了一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，该方法主要通过建立接触表面数学模型、建立螺纹松脱界面的应力分布和压力分布理论公式、仿真分析界面应力和界面压力等步骤来分析松脱现象，并且通过引入螺纹耗散能与微动图理论使得松脱状态更加清晰，为今后对此类的螺纹松脱研究提供了一种参考思路。基于以上理由本发明专利技术可以在螺纹松脱领域广泛推广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法
本专利技术涉及一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，属于螺纹松脱

技术介绍
螺栓连接结构作为常用的紧固手段，在各类机械结构中应用广泛，尤其是航空、航天领域，螺栓连接结构质量的好坏，对机械设备的整体性能至关重要。而松动是螺栓连接结构失效的主要形式之一，会导致连接件之间夹紧力的逐渐减小，甚至造成整个螺栓连接的失效，引发重大事故，因此研究螺纹连接结构松脱现象对工程实际具有十分重要的意义。虽然螺纹联接松脱并没有在失效的初始阶段便引起重大事故，但是在其失效的进行过程中，螺栓张紧力会越来越低，由此导致的诸如泄漏、异响等结构故障也是不容忽视的。而且，当螺栓张紧力降低到一定程度时，也可能使得承受侧向载荷的螺纹联接中的螺栓被剪断。因此，对含有螺纹联接结构的机械产品而言，对螺纹联接结构松动进行分析及预测具有十分重要的意义。避免螺纹联接结构在工作过程中出现松脱也已成为目前螺纹联接结构设计所关心的核心问题之一。南佛罗里达大学的Hess和Pai首次引入局部滑动和完全滑动的概念，来表示接触面之间不同的接触状态，认为完全滑动是局部滑动逐渐发展而来，并且认为引起接触面局部滑动需要的外部载荷要比引起完全滑动需要的载荷小的多。东京大学的Izumi和Sakai将接触面之间接触状态进一步划分，指出接触状态应该分为三种：没有粘着区域的完全滑动、没有稳定粘着区域的微小滑动、有稳定粘着区域的局部滑动。Sakai通过理论分析研究，建立数学模型推导出使螺栓头部支撑面和螺纹啮合面滑移的力和力矩方程，并提出临界滑动的概念，将使螺栓头部支撑面产生滑移的被连接件之间的最小滑动量定义为临界滑动。基于以上所述情况，各研究学者只是从螺纹松脱的局部因素进行研究并没有提出一套螺纹松脱的完整理论，因此本专利技术提出一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，主要是从螺纹的受力分析、螺纹松。脱原因、螺纹滑移扇区、微动摩擦模型建立、微动滑移等方面对螺纹松脱进行全面的阐述，为螺纹松脱理论研究提供一种新思路。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，专利技术了一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法。本专利技术的技术方案：一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，包括对螺纹模型进行受力和松脱分析、对微动滑移状态的分析、建立微动滑移模型、建立仿真模型、基于纹耗散能的微动滑移状态分析、采用微动图分析微动滑移状态；步骤一、对螺纹模型进行受力和松脱分析当螺纹受到剪切力时，螺纹受力简化为滑块沿着斜面受力情况，其中滑块等效于螺母，斜面等效于螺纹副；受力分解为沿螺栓轴向的预紧力F、沿水平向右的剪切力Ft、斜面支反力Fr、斜面摩擦力f和螺纹升角所述的松脱分析包括以下三种情况：⑴当时，即剪切力小于静摩擦，螺纹界面主要发生微动摩擦中的粘结滑移即部分滑移状态，引起螺纹牙的塑形变形，宏观上引起预紧力的小幅度下降，螺纹未发生松脱；μ为摩擦系数；⑵当剪切力增大到时，处于界面临界滑移状态，不存在粘结部分，螺纹未发生松脱；⑶当剪切力增大到时，螺纹副处于完全滑移状态，滑块会沿着斜面向剪切力的方向下滑，宏观表现为螺母的旋转，螺纹发生了松脱；步骤二、对微动滑移状态的分析滑移状态与接触面的受力情况有关，将接触面分成A扇区和B扇区，随着剪切激励方向的变化，接触面的受力情况也产生周期性的变化；螺纹接触时既有滑动又有转动，在A扇区和B扇区的受力情况的不同，导致有不同的抵抗摩擦力。当预紧力因微动摩擦减小到临界值时，A扇区率先超过它所能提供的摩擦力即进入部分滑移状态，此时螺纹未发生松脱。剪切力继续增大微动摩擦会影响B扇区，直至B扇区达到完全滑移状态，此时螺纹发生松脱。当交变切向力改变方向时A扇区和B扇区的滑移状态与现状态相反，松脱随着交变力不断累积。步骤三、建立微动滑移模型两个粗糙表面间的接触等效为一个粗糙面与一个光滑面之间的接触问题，即等效于一个刚性光滑平面和一个粗糙面的接触问题。粗糙平面上分布着高度随机的微凸体，其曲率半径相同，服从高斯分布并且每个微凸体的变形互不耦合。在预紧力作用下，两接触面被压紧，形成接触半径为a的圆形区域，在接触区域内结合面的摩擦系数为μ受到切向载荷T的作用后，产生切向相对位移为δ，将所述的接触区分为以下两种区域：(1)部分滑移区：中心粘着区的半径为c，滑动区为宽度为a-c，p表示法向接触压力分布，q表示切应力分布；根据Hertz弹性理论得到：式中：N表示预紧力，θ表示泊松比，E表示弹性模量；接触区中心处的压力最高，该值p0为：离接触中心距离为r(r≤a)的地方的压力分布p表示为：滑移区的切应力分布：这里x是切向力方向的坐标，第一项代表滑移环内的滑动切应力分布，q’(x)代表弹性变形范围内的粘着区的切应力分布粘着区的切应力分布：式中：cmax表示切应力达到最大时的粘结区域，c是T的函数即：刚体光滑平面和粗糙平面接触滑移：式中：θ1、θ2为两平面的泊松比，G是由a和r确定的参数为：(2)完全滑移区完全滑移区切应力分布：式中：c仍是T的函数如式(8)所示。步骤四、建立仿真模型利用HYPERMESH参数化建模建立的带有螺纹升角的螺栓连接结构各零件的六面体网格有限元模型，保证模型准确性；将所述模型导入ANSYS中，进行螺纹松脱分析；其中剪切力采用准静态等效原理把动载变为静载，让其求解过程在静力学模块进行，有利于结果的收敛和评估。计算结果中输出螺纹牙单元节点的切向位移、螺纹接触界面的切应力和法向压力、摩擦耗散能；将输出结果与理论计算比较，进行螺纹松脱评估。步骤五、基于纹耗散能的微动滑移状态分析能量比率A定义为螺纹微动循环的耗散能Ed与全部系统的Et的比值。对于部分滑移有：完全滑移有：式中：Edt为纯滑动的耗散能，Edg为部分滑移的耗散能。A＝0.2是部分滑移向完全滑移转变的临界值，当A<0.2时处于接触界面处于部分滑移状态，螺纹未发生松脱，此时主要由塑形变形引起预紧力下降。当A>0.2时接触界面处于完全滑移状态，螺纹发生松脱，宏观表现为预紧力下降。步骤六、采用微动图分析微动滑移状态将步骤四输出的螺纹牙接触界面节点位移和接触切向摩擦力绘制成微动图(Ft-D曲线)来分析微动滑移状态。所述的Ft-D曲线分为以下三种情况分析松脱：⑴直线状Ft-D曲线。两接触表面不发生相对滑动即部分滑移状态，螺纹未发生松脱。⑵平行四边形Ft-D曲线。两接触表面发生相对滑动即完全滑移状态，螺纹发生松脱。⑶椭圆状Ft-D曲线。两接触表面发生微动破损，螺纹松脱趋于稳定状态，宏观预紧力未下降。本专利技术的有益效果：本专利技术在充分考虑微动摩擦对螺纹松脱影响的基础上，提出了一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，该方法主要通过建立接触表面数学模型、建立螺纹松脱界面的应力分布和压力分布理论公式、仿真分析界面应力和界面压力等步骤来分析松脱现象，并且通过引入螺纹耗散能与微动图理论使得松脱状态更加清晰，为今后对此类的螺纹松脱研究提供了一种参考思路。基于以上理由本专利技术可以在螺纹松脱领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，包括对螺纹模型进行受力和松脱分析、对微动滑移状态的分析、建立微动滑移模型、建立仿真模型、基于纹耗散能的微动滑移状态分析、采用微动图分析微动滑移状态；步骤一、对螺纹模型进行受力和松脱分析当螺纹受到剪切力时，螺纹受力简化为滑块沿着斜面受力情况，其中滑块等效于螺母，斜面等效于螺纹副；受力分解为沿螺栓轴向的预紧力F、沿水平向右的剪切力Ft、斜面支反力Fr、斜面摩擦力f和螺纹升角

【技术特征摘要】
1.一种基于微动摩擦理论的螺纹松脱分析方法，包括对螺纹模型进行受力和松脱分析、对微动滑移状态的分析、建立微动滑移模型、建立仿真模型、基于纹耗散能的微动滑移状态分析、采用微动图分析微动滑移状态；步骤一、对螺纹模型进行受力和松脱分析当螺纹受到剪切力时，螺纹受力简化为滑块沿着斜面受力情况，其中滑块等效于螺母，斜面等效于螺纹副；受力分解为沿螺栓轴向的预紧力F、沿水平向右的剪切力Ft、斜面支反力Fr、斜面摩擦力f和螺纹升角所述的松脱分析包括以下三种情况：⑴当时，即剪切力小于静摩擦，螺纹界面主要发生微动摩擦中的粘结滑移即部分滑移状态，引起螺纹牙的塑形变形，宏观上引起预紧力的小幅度下降，螺纹未发生松脱；⑵当剪切力增大到时，处于界面临界滑移状态，不存在粘结部分，螺纹未发生松脱；⑶当剪切力增大到时，螺纹副处于完全滑移状态，滑块会沿着斜面向剪切力的方向下滑，宏观表现为螺母的旋转，螺纹发生了松脱；其中，μ为摩擦系数；步骤二、对微动滑移状态的分析滑移状态与接触面的受力情况有关，将接触面分成A扇区和B扇区，随着剪切激励方向的变化，接触面的受力情况也产生周期性的变化；螺纹接触时既有滑动又有转动，在A扇区和B扇区的受力情况的不同，导致有不同的抵抗摩擦力；当预紧力因微动摩擦减小到临界值时，A扇区先超过其所能提供的摩擦力即进入部分滑移状态，此时螺纹未发生松脱；剪切力继续增大微动摩擦会影响B扇区，直至B扇区达到完全滑移状态，此时螺纹发生松脱；当交变切向力改变方向时A扇区和B扇区的滑移状态与现状态相反，松脱随着交变力不断累积；步骤三、建立微动滑移模型两个粗糙表面间的接触等效为一个粗糙面与一个光滑面之间的接触问题，即等效于一个刚性光滑平面和一个粗糙面的接触问题；粗糙平面上分布着高度随机的微凸体，其曲率半径相同，服从高斯分布并且每个微凸体的变形互不耦合；在预紧力作用下，两接触面被压紧，形成接触半径为a的圆形区域，在接触区域内结合面的摩擦系数为μ受到切向载荷T的作用后，产生切向相对位移为δ，将所述的接触区分为以下两种区域：(1)部分滑移区：中心粘着区的半径为c，滑动区为宽度为a-c，p表示法向接触压力分布，q表示切应...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清超，杨斌，林清源，张豹，汪云龙，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21