纵向无垫圈螺栓连接系统的密封性分析和轻量化设计

纵向无垫圈螺栓连接系统在工程中有着广泛的应用。然而,由于受到较多的设计变量和安装边间复杂接触状态的影响,其密封性分析和轻量化设计依然是一个难题。本文系统地分析了设计变量与密封失效的关系,有效地降低了设计变量的数目。通过适当修改Ma等人~([11])的螺栓连接等效力学模型,能够准确预测螺栓孔处密封失效时的临界状态。最后,本文提出了纵向无垫圈螺栓连接系统轻量化设计的优化列式,并进行了数值实现和三维有限元验证。     

复合材料螺栓连接失效分析研究进展

复合材料螺栓连接具有可靠性高和易检测等优点,是复合材料结构最重要的连接形式。但是由于复合材料的各向异性、脆性以及孔边应力集中的存在,螺栓连接是复合材料结构承载的薄弱环节,已引起研究者广泛关注。本文对复合材料螺栓连接结构的钉载分配测试和分析方法,螺栓连接结构的失效预测方法及设计参数对接头失效的影响研究等进行了简要综述,着重介绍了课题组近年来在这些方面的研究工作。     

螺栓-法兰连接结构非线性优化设计方法研究综述

螺栓-法兰连接是应用于航空航天、核能等领域的管道主要连接形式.工程上迫切希望获得此类结构的最优化设计,以实现系统性能最佳化.针对这种连接结构的优化设计实际包含接触问题和优化问题两部分的内容,是非线性因素的耦合以及优化设计层层迭代的过程.综述了小变形弹性接触问题中的有限元法及其在工程中的应用,针对螺栓-法兰中优化设计中关心的花瓣的优化,同时还简述了拓扑优化设计方面的研究进展.最后对今后的研究方向和研究的重点作了展望.     

机械螺栓连接状态监测和辨识方法研究进展

螺栓连接广泛存在于机械装配结构中.振动环境下螺栓连接的状态会发生滑动、分离甚至松脱等现象,从而严重影响结构的功能性和安全性.监测和辨识机械螺栓连接的状态是结构健康监测研究的前沿热点.首先,对螺栓连接非线性动力学问题的研究现状进行了分析,指出针对复杂螺栓连接结构的非线性动力学问题的深入研究是建立可靠的状态检测和辨识方法的基础.然后,讨论了基于振动分析的两类结构健康监测方法在机械螺栓连接中的研究进展,重点综述了基于机电阻抗的状态监测方法的原理、应用现状和不足.最后,讨论了基于非线性系统动力学理论的状态监测方法及其在螺栓连接中的研究应用情况,指出了该技术进一步发展应用的若干关键技术.     

低温液体火箭发动机高压静密封有限元分析

以某型号液体火箭发动机的推力室燃料阀出口法兰静密封结构为研究对象,针对法兰连接结构特点,运用有限元方法建立了管路-阀门-推力室模型,通过热-结构耦合计算分析表明:在温度和压力的共同作用下,推力室燃料阀出口法兰变形导致密封面微小分离,造成垫片局部压紧应力大幅减小,可能引起推进剂泄漏并起火。在通过上述分析定位泄漏原因并预测泄漏率之后,又建立了参数化的螺栓-法兰-垫片密封性分析局部模型,基于柔性石墨垫片的基本性能试验数据,计算分析了垫片厚度、螺栓预紧力等结构因素对静密封性能的影响,理论上验证了增加预紧力,增厚密封垫片等密封改进措施的有效性。     

螺栓强度的随机可靠性与模糊可靠性分析

螺栓是工程装备中重要的连接结构件,其可靠性至关重要。本文介绍了结构强度的随机可靠性和模糊可靠性分析方法,并以一种典型螺栓为例演示了这些方法的应用,同时给出了螺栓的随机可靠度和模糊可靠度。     

基于薄层单元法的螺栓连接结构有限元模型确认

由于螺栓连接结构结合面的粗糙度、预紧力矩和螺栓直径等因素具有不确定性,因此结合面的连接参数也是具有不确定性的,为了获得能描述连接参数不确定性的有限元模型,对螺栓连接结构开展有限元模型确认研究。将复杂的多螺栓结构拆分为简单的单个螺栓结构;先对单个螺栓结构做模型确认分析,采用薄层单元来表征结合面,通过模态试验数据修正获得薄层单元参数及其统计样本,对不确定性连接参数进行量化和传递分析,并采用模型确认准则验证该参数概率分布的合理性;再将考虑概率分布情况的单个螺栓结构的薄层单元参数应用到多个螺栓连接结构对其模态频率进行预测。研究结果表明:所采用的模型确认方法能量化薄层单元参数的不确定性,可建立具有一定可信度的螺栓连接结构有限元模型,由单个螺栓结构能预测多个螺栓结构的动力学特征。     

柔性面对称星箭界面点式连接方案设计与分析

以某型柔性、面对称的星体采用有限数目分离螺栓与运载火箭连接的方案为例,针对分离螺栓的载荷和强度,开展工程经验方法和有限元的对比分析。为解决分离螺栓强度不够问题,在分离螺栓的型号、数目和连接位置等约束不变的前提下,研究分离螺栓减载方法,提出一种增加小型辅助结构传递界面弯矩的改进方案,有效降低了分离螺栓载荷,分析结果表明该方案具有可行性。本文提出的界面载荷传递设计方法,对柔性飞行器与运载器采用点式连接的方案设计具有较重要的参考价值。     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试，研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响，获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度，可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右，但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法，对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析，预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度，模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

火箭径向连接孔精度对承载能力影响分析

对火箭部段间径向连接进行受力分析,径向连接螺栓受剪切力及附加弯矩共同影响。对存在接触、摩擦和预紧等非线性因素的径向螺栓连接结构建立有限元分析方法,得到径向连接螺栓所受剪切力及附加弯矩。基于典型结构开展连接孔精度对承载能力的影响,获得不同对接孔精度下的承载能力,为火箭径向连接孔精度的选择提供工程设计依据。     

用于钻机支撑连接的螺栓疲劳寿命分析

疲劳断裂是钻机中连接螺栓的主要失效形式。结合工程实际,建立基于线性疲劳累积损伤理论的高强度螺栓安全寿命估算方法,绘制螺栓零件的S-N曲线,并利用修正Miner准则估算螺栓的疲劳寿命。借助有限元平台以及疲劳仿真软件n Soft的FE-Fatigue模块,对连接螺栓进行疲劳强度仿真试验,确定了动应力下连接螺栓的疲劳损伤位置,并得到仿真疲劳寿命,验证了理论计算疲劳寿命的合理性。对高强度螺栓的疲劳设计、校核以及寿命估算有一定的借鉴意义。     

带预紧力受剪螺栓连接刚度分析

为了很好的模拟带预紧力受剪螺栓的复杂应力状况,本文应用ANSYS非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真,利用降温法模拟了螺栓的预紧力,给出了螺栓连接刚度计算公式,通过一系列不同厚度构件的螺栓连接刚度计算,得到了构件厚度与螺栓连接刚度间的关系曲线;为复杂结构中螺栓连接的简化计算提供了可靠参考依据.     

火箭级间段连接螺栓失效数值模拟

火箭级间段采用多个螺栓盘式连接,在高速飞行过程中,箭体受横向异常载荷的作用,导致连接螺栓相继失效.本文利用非线性有限元软件ABAQUS,对单个螺栓的失效进行数值模拟（包括无螺纹单螺栓应力模型和有螺纹单螺栓破坏模型）,计算得到的失效破坏载荷与试验测定的破坏载荷进行对比.考虑火箭全箭飞行过程中遭受的横向异常载荷,对级间段连接螺栓的相继失效进行数值模拟.     

爆炸螺栓冲击载荷作用下的捕获系统力学性能研究

本文对爆炸螺栓冲击载荷作用下的捕获系统(包含捕获器、预紧螺栓)进行强刚度分析,研究捕获系统在不同预紧力矩/同一冲击载荷作用下的力学响应。结果表明,捕获系统在冲击载荷作用下,预紧螺栓、捕获器的力学性能响应随着拧紧力矩的变化而变化,在相同冲击载荷作用下,40N·m拧紧力矩下的捕获器冲击受力面的变形量比0N·m拧紧力矩要小,同时40N·m拧紧力矩下的预紧螺栓和捕获器根部应力水平也较0N·m拧紧力矩有所降低,局部区域已达到塑性变形,存在断裂风险。此次分析研究为后续结构优化提供一定的数据支撑,该技术成果可直接应用于火工品连接—分离结构系统,具有广泛应用价值。     

飞机空气导管泄漏探测系统性能研究与优化

本文通过设计和搭建泄漏探测试验台,对泄漏探测系统性能进行试验研究,并利用FLUENT仿真平台建立泄漏模型进行数值研究,考察不同导流孔直径、绝热层厚度、导流孔个数条件下的各测点温度变化;最后对泄漏探测系统的空气绝热层及导流通道进行了优化设计和数值模拟,结果表明,采用优化设计的T型空气通道的导流结构,能够大幅度地提升探测点处的温度值,对探测系统具有显著的优化效果。     

复合材料螺栓连接结构疲劳问题研究进展

螺栓连接具有承载能力强、可靠性高等优点，成为复合材料结构常用的连接形式之一。对碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳问题研究进展进行综述。阐述了复合材料机械连接结构的几种基本类型，总结了螺栓连接在疲劳载荷下的失效过程和破坏形式，从复合材料性能、紧固件性能、侧向约束、几何效应、疲劳载荷和环境因素等方面重点论述了碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳性能影响因素的研究进展，最后对未来复合材料螺栓连接结构的疲劳性能研究方向进行了总结和展望，以期对未来连接结构的研究和应用提供建议与参考。     

基于Modelica的斜盘式轴向柱塞泵建模仿真研究

斜盘式轴向柱塞泵是典型机电液混合的复杂系统,故障隐蔽性强,缺乏基于实际机械结构的多领域仿真建模。本文开展了基于Modelica的斜盘式柱塞泵建模仿真研究。首先研究了实际某型柱塞泵机械结构参数,进行部件划分和组装建模,搭建了以斜盘式柱塞泵为核心的局部液压系统。然后针对柱塞泵常见的泄漏、压损、堵塞和气穴等故障模式,分别基于模型进行故障注入和定量仿真分析。明确了不同故障发生对液压系统造成的影响,充分验证了该模型对于柱塞泵常见故障问题仿真分析的可用性。该模型提高了斜盘式轴向柱塞泵多领域统一建模的精确性,为故障诊断和健康监测提供了参考。     

复合材料热结构螺栓连接刚度试验分析方法研究

本文以C/SiC螺栓为例,研究复合材料热结构连接刚度的试验分析方法。分析了常温下预紧力矩与螺栓轴向力之间的关系,考虑高温对预紧力的影响并给出了预紧力矩修正公式。针对高温条件下难以获得螺栓真实预紧力、从而影响对热结构连接刚度进行正确判断的难点,建立了一种在高温条件下通过动力学试验获取结构连接刚度的技术途径,并采用典型连接件开展了相关的试验研究。     

复合材料等刚度多钉螺接载荷分配的实验研究

本文详细描述了复合材料等刚度多钉螺接载荷分配的测试过程。着重探讨载荷传递的测试方法以及连接的迭层顺序对载荷分配的影响。4钉螺接试件系纤维增强碳/环氧复合材料制成,各螺栓串联排列并沿钉孔的中心连线方向施加拉伸载荷。本文通过对螺栓位移量的测量,得以确定连接中各钉承载的百分比,发现多钉连接的载荷分配对迭层板中±45°铺层含量相当敏感,±45°纤维含量的增加将加剧多钉螺接载荷分配的不均。受载最严重螺栓的承载百分比亦随迭层板中±45°纤维含量的增加而呈上升趋势。     

时滞系统的Elman网络多步预测模糊控制方法

讨论了Elman神经网络的结构与学习算法,研究了基于Elman网络的动态系统辨识模型、预测模型及预测算法,并与模糊控制相结合,研究神经网络多步预测模糊控制方法。仿真结果表明该方法可以提高系统的鲁棒性及稳定性,多步预测最佳模糊控制的控制精度及ITAE指标均较无预测时要优。