一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法
2023-04-28 07:22:31
一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法
【專利摘要】本發明涉及一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，通過有限元軟體對螺栓連接件進行仿真分析，並利用有限元軟體建立附加彎矩試驗工裝模型，通過調整施加載荷參數與結構尺寸，準確模擬真實的螺栓連接件中螺栓的受力狀態，通過拉彎耦合等效試驗判斷螺栓連接件是否滿足設計要求，從而解決了目前連接螺栓局部試驗時螺栓的受力狀態無法模擬整體結構在軸彎剪載荷作用下的局部連接螺栓真實受力狀態的難題，實現了真實大型螺栓連接結構中螺栓強度的試驗考核，為真實大型螺栓連接結構提供了可靠保證。
【專利說明】一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，屬於彈箭體結構的連接螺栓局部強 度試驗設計【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 螺栓廣泛應用於火箭、飛彈的部段及零件連接結構中，一般情況下螺栓受力狀態 為軸力、彎矩聯合作用的複雜受力狀態，尤其是在採用螺栓連接的點式分離裝置中，螺栓的 局部彎矩很大，難以通過設計師手冊中的單向受力極限載荷確定其在實際結構中拉彎耦合 作用下的承載能力，需要進行試驗驗證其是否滿足承載能力要求。另外，根據已有型號經 驗，當對連接螺栓局部結構截取出來進行局部試驗時，螺栓的受力狀態與整體結構在軸彎 剪載荷作用下的局部連接螺栓真實受力狀態具有一定的差距，需要設計一種簡單、通用的 試驗手段來考核螺栓在拉彎耦合作用下的承載能力。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種螺栓拉彎耦合等效試驗方 法，該方法實現了真實大型螺栓連接結構中螺栓強度的低成本試驗考核，為真實大型螺栓 連接結構提供了可靠保證。
[0004] 本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：
[0005] -種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟（一）、通過有限元軟體對螺栓連接件進行仿真分析，得到連接螺栓截面軸拉 數據和連接螺栓截面彎矩數據，並以連接螺栓截面軸拉為橫坐標，連接螺栓截面彎矩為縱 坐標，繪製曲線1 ;
[0007] 步驟（二）、根據所述螺栓連接件中的上螺栓盒、下螺栓盒和連接螺栓的結構尺 寸，利用有限元軟體建立附加彎矩試驗工裝模型，所述附加彎矩試驗工裝模型包括上螺栓 盒、下螺栓盒、墊塊和螺栓，其中上螺栓盒與下螺栓盒通過螺栓連接，墊塊位於上螺栓盒與 下螺栓盒之間，並位於螺栓的一側；
[0008] 步驟（三）、利用有限元軟體計算所述附加彎矩試驗工裝模型在施加軸拉載荷Fs 下的連接螺栓截面軸拉數據和連接螺栓截面彎矩數據，並以連接螺栓截面軸拉為橫坐標， 連接螺栓截面彎矩為縱坐標，繪製曲線2，，將曲線2與步驟（一）中得到的曲線1進行對 比，
[0009] 若兩條曲線峰值點、結束點的數據誤差均彡5%，則進入步驟（四）；若兩條曲線 峰值點數據誤差彡5%、結束點的數據誤差> 5%，則對施加的軸拉載荷匕進行調整，返回 步驟（三）；若兩條曲線峰值點數據誤差>5%、結束點的數據誤差彡5%，則利用有限元軟 件對所述附加彎矩試驗工裝模型的上螺栓盒、下螺栓盒和墊塊的尺寸進行修改，返回步驟 (三）；若兩條曲線峰值點、結束點的數據誤差均> 5%，則對施加的軸拉載荷Fs進行調整， 同時利用有限元軟體對所述附加彎矩試驗工裝模型的上螺栓盒、下螺栓盒和墊塊的結構尺 寸進行修改，返回步驟（三）；
[0010] 步驟（四）、根據步驟（三）確定的附加彎矩試驗工裝模型製備附加彎矩試驗工 裝，進行拉彎耦合等效試驗，得到連接螺栓的極限承載能力參數，即連接螺栓拉斷時對應的 載荷F ;將載荷F與步驟（三）中最終確定的軸拉載荷Fs進行對比，若F > Fs，則步驟（一） 中螺栓連接件滿足設計要求，否則，步驟（一）中螺栓連接件不滿足設計要求。
[0011] 在上述螺栓拉彎耦合等效試驗方法中，步驟（二）中建立的附加彎矩試驗工裝模 型中的上螺栓盒包括底板、背板和兩個側板，下螺栓盒包括頂板、背板和兩個側板，墊塊為 立方體結構，墊塊安裝位置避開螺栓。
[0012] 在上述螺栓拉彎耦合等效試驗方法中，步驟（二）中建立的附加彎矩試驗工裝模 型中的上螺栓盒的底板厚度、下螺栓盒的頂板厚度和墊塊厚度的總和等於步驟（一）中螺 栓連接件中的上螺栓盒底板厚度與下螺栓盒頂板厚度之和。
[0013] 在上述螺栓拉彎耦合等效試驗方法中，步驟（三）中對附加彎矩試驗工裝模型的 上螺栓盒、下螺栓盒和墊塊的尺寸進行修改，即對上螺栓盒的底板、側板厚度，下螺栓盒的 頂板、側板厚度和墊塊厚度進行調整，同時需要滿足附加彎矩試驗工裝模型中的上螺栓盒 的底板厚度、下螺栓盒的頂板厚度和墊塊厚度的總和等於步驟（一）中螺栓連接件中的上 螺栓盒底板厚度與下螺栓盒頂板厚度之和。
[0014] 本發明與現有技術相比具有如下有益效果：
[0015] (1)、本發明通過有限元軟體對螺栓連接件進行仿真分析，並利用有限元軟體建立 附加彎矩試驗工裝模型，通過調整施加載荷參數與結構尺寸，準確模擬真實的螺栓連接件 中螺栓的受力狀態，通過拉彎耦合等效試驗判斷螺栓連接件是否滿足設計要求，從而解決 了目前連接螺栓局部試驗時螺栓的受力狀態無法模擬整體結構在軸彎剪載荷作用下的局 部連接螺栓真實受力狀態的難題，實現了真實大型螺栓連接結構中螺栓強度的試驗考核， 為真實大型螺栓連接結構提供了可靠保證；
[0016] (2)、本發明採用附加彎矩試驗工裝模型模擬真實的螺栓連接件中螺栓的受力狀 態，試驗工裝除包括上、下螺栓盒外，還增加了墊塊，從而增加了試驗設計過程中的可調參 數，提高了螺栓受力狀態模擬的準確性；
[0017] (3)、本發明通過有限元軟體設計附加彎矩試驗工裝模型，並製備局部試驗工裝， 進行拉彎耦合等效試驗，大大降低了試驗成本，提高了效益，具有較強的實用性；
[0018] 本發明已在多個運載火箭型號的連接螺栓局部強度試驗中得到應用，取得了很好 的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明附加彎矩試驗工裝模型立體圖；
[0020] 圖2為本發明附加彎矩試驗工裝剖面圖（正視圖和側剖圖）；
[0021] 圖3為本發明中曲線1與曲線2對比圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細的描述：
[0023] 本發明螺栓拉彎耦合等效試驗方法，具體包括如下步驟：
[0024] 步驟（一）、通過有限元軟體對真實螺栓連接件進行仿真分析，得到連接螺栓截面 軸拉數據和連接螺栓截面彎矩數據，並以連接螺栓截面軸拉為橫坐標，連接螺栓截面彎矩 為縱坐標，繪製曲線1，如圖3所示為本發明中曲線1與曲線2對比圖。
[0025] 步驟（二）、根據真實螺栓連接件中的上螺栓盒、下螺栓盒和螺栓的結構尺寸，利 用有限元軟體建立附加彎矩試驗工裝模型。如圖1所示為本發明附加彎矩試驗工裝模型立 體圖，圖2所示為本發明附加彎矩試驗工裝剖面圖（正視圖和側剖圖）；建立的附加彎矩試 驗工裝模型中的上螺栓盒1的底板厚度、下螺栓盒2的頂板厚度和墊塊3厚度的總和等於 真實螺栓連接件中的上螺栓盒底板厚度與下螺栓盒頂板厚度之和。
[0026] 如圖1、2所示，附加彎矩試驗工裝模型包括上螺栓盒1、下螺栓盒2、墊塊3和螺栓 4,其中上螺栓盒1與下螺栓盒2通過螺栓4連接，墊塊3位於上螺栓盒1與下螺栓盒2之 間，並位於螺栓4的一側（螺栓4未穿過墊塊3)。建立的附加彎矩試驗工裝模型中的上螺 栓盒1包括底板、背板和兩個側板，下螺栓盒2包括頂板、背板和兩個側板，墊塊3為立方體 結構，安裝位置避開螺栓4。
[0027] 步驟（三）、利用有限元軟體計算附加彎矩試驗工裝模型在施加軸拉載荷Fs下的 連接螺栓截面軸拉數據和連接螺栓截面彎矩數據，並以連接螺栓截面軸拉為橫坐標，連接 螺栓截面彎矩為縱坐標，繪製曲線2。
[0028] 並將曲線2與曲線1進行對比，如圖3所示，若兩條曲線峰值點、結束點的數據誤 差均彡5%，則進入步驟（四）；若兩條曲線峰值點數據誤差彡5%、結束點的數據誤差> 5%，則對施加的軸拉載荷匕進行調整，返回步驟（三）；若兩條曲線峰值點數據誤差>5%、 結束點的數據誤差 5%，則對施加的軸拉載荷匕進行調整，同時利用有限元軟體對所述附加彎矩試驗 工裝模型的上螺栓盒1、下螺栓盒2和墊塊3的結構尺寸進行修改，返回步驟（三）。
[0029] 該步驟中對附加彎矩試驗工裝模型的上螺栓盒1、下螺栓盒2和墊塊3的尺寸進行 修改，即對上螺栓盒1的底板、側板厚度，下螺栓盒2的頂板、側板厚度和墊塊3的厚度進行 調整，同時需要滿足如下關係：
[0030] 附加彎矩試驗工裝模型中的上螺栓盒1的底板厚度+下螺栓盒2的頂板厚度+墊 塊3的厚度=真實螺栓連接件中的上螺栓盒底板厚度+下螺栓盒頂板厚度。
【權利要求】
1. 一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，其特徵在於：包括如下步驟： 步驟（一）、通過有限元軟體對螺栓連接件進行仿真分析，得到連接螺栓截面軸拉數據 和連接螺栓截面彎矩數據，並以連接螺栓截面軸拉為橫坐標，連接螺栓截面彎矩為縱坐標， 繪製曲線1 ; 步驟（二）、根據所述螺栓連接件中的上螺栓盒、下螺栓盒和連接螺栓的結構尺寸，利 用有限元軟體建立附加彎矩試驗工裝模型，所述附加彎矩試驗工裝模型包括上螺栓盒（1)、 下螺栓盒（2)、墊塊（3)和螺栓（4)，其中上螺栓盒（1)與下螺栓盒（2)通過螺栓（4)連接， 墊塊（3)位於上螺栓盒（1)與下螺栓盒（2)之間，並位於螺栓（4)的一側； 步驟（三）、利用有限元軟體計算所述附加彎矩試驗工裝模型在施加軸拉載荷Fs下的 連接螺栓截面軸拉數據和連接螺栓截面彎矩數據，並以連接螺栓截面軸拉為橫坐標，連接 螺栓截面彎矩為縱坐標，繪製曲線2，，將曲線2與步驟（一）中得到的曲線1進行對比， 若兩條曲線峰值點、結束點的數據誤差均彡5%，則進入步驟（四）；若兩條曲線峰值 點數據誤差彡5%、結束點的數據誤差> 5%，則對施加的軸拉載荷^進行調整，返回步驟 (三）；若兩條曲線峰值點數據誤差> 5%、結束點的數據誤差彡5%，則利用有限元軟體對 所述附加彎矩試驗工裝模型的上螺栓盒（1)、下螺栓盒（2)和墊塊（3)的尺寸進行修改，返 回步驟（三）；若兩條曲線峰值點、結束點的數據誤差均> 5 %，則對施加的軸拉載荷Fs進 行調整，同時利用有限元軟體對所述附加彎矩試驗工裝模型的上螺栓盒（1)、下螺栓盒（2) 和墊塊（3)的結構尺寸進行修改，返回步驟（三）； 步驟（四）、根據步驟（三）確定的附加彎矩試驗工裝模型製備附加彎矩試驗工裝，進 行拉彎耦合等效試驗，得到連接螺栓的極限承載能力參數，即連接螺栓拉斷時對應的載荷 F ;將載荷F與步驟（三）中最終確定的軸拉載荷Fs進行對比，若F > Fs，則步驟（一）中 螺栓連接件滿足設計要求，否則，步驟（一）中螺栓連接件不滿足設計要求。
2. 根據權利要求1所述的一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，其特徵在於：所述步驟 (二） 中建立的附加彎矩試驗工裝模型中的上螺栓盒（1)包括底板、背板和兩個側板，下螺 栓盒（2)包括頂板、背板和兩個側板，墊塊（3)為立方體結構，墊塊（3)安裝位置避開螺栓 ⑷。
3. 根據權利要求1或2所述的一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，其特徵在於：所述步 驟（二）中建立的附加彎矩試驗工裝模型中的上螺栓盒（1)的底板厚度、下螺栓盒（2)的 頂板厚度和墊塊（3)厚度的總和等於步驟（一）中螺栓連接件中的上螺栓盒底板厚度與下 螺栓盒頂板厚度之和。
4. 根據權利要求1所述的一種螺栓拉彎耦合等效試驗方法，其特徵在於：所述步驟 (三） 中對附加彎矩試驗工裝模型的上螺栓盒（1)、下螺栓盒（2)和墊塊（3)的尺寸進行修 改，即對上螺栓盒（1)的底板、側板厚度，下螺栓盒（2)的頂板、側板厚度和墊塊（3)厚度進 行調整，同時需要滿足附加彎矩試驗工裝模型中的上螺栓盒（1)的底板厚度、下螺栓盒（2) 的頂板厚度和墊塊（3)厚度的總和等於步驟（一）中螺栓連接件中的上螺栓盒底板厚度與 下螺栓盒頂板厚度之和。
【文檔編號】G06F17/50GK104090998SQ201410286019
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】王斌, 張希, 林川, 李林生, 朱振濤, 章凌, 吳浩, 曹昱, 徐珊珊, 曾杜娟 申請人:北京宇航系統工程研究所, 中國運載火箭技術研究院