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.     

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。     

火箭对接面爆炸螺栓直径对螺栓截面载荷的影响

爆炸螺栓是箭体结构对接面承载最主要的薄弱环节之一。进行舱段静力试验时考虑到传感器安装空间等原因,通常采用直径较小的螺栓替代爆炸螺栓测量螺栓截面载荷。为得到螺栓直径对螺栓截面载荷的影响,推导了相同加载条件下爆炸螺栓截面载荷与螺栓直径的理论公式。建立不同直径螺栓连接的舱段对接有限元模型,完成舱段对接下不同直径螺栓截面载荷测量试验,将有限元分析结果、试验结果和理论计算结果进行了对比。分析结果表明：爆炸螺栓截面轴力与螺栓直径关系较小,螺栓截面弯矩与直径的平方近似成正比。     

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。     

螺栓连接件剪切疲劳寿命分散性试验研究

针对螺栓连接件疲劳寿命分散性问题,对某型飞机机翼主梁上的一种典型螺栓和连接孔进行测量,获得栓孔的配合间隙分布数据。并是隙影响的Ｐ－δ曲线,对螺栓连接件进行寿命估算和验证试验,得出相当吻合的结论。为飞机结构关键部位的螺栓连接件设计,特别是忆配合间隙的选择技术基础。     

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。     

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。     

固体火箭发动机前壳体应力分析

固体火箭发动机壳体的前封头上,为了安装点火器,需要开一个极孔,用螺纹环或法兰与点火器连接。即使与壳体连接处用变厚度的锥颈过渡加强,一般在与壳体连接处仍有较高的应力集中存在,致使壳体的承载能力下降。另外,为了级间连接的需要,在封头上还要焊以圆筒形的裙部,在内压力作用下,裙的变形及受力情况也是设计者所关心的。尽管发动机壳体的后封头上还要开一个比较大的孔,但前后封头之间有较长的圆筒部分,由边缘效应理论,可将前、后壳体分别进行处理。     

助推器支承的火箭地面风载荷非定常气动系数（上）

根据新一代运载火箭CZ-5及其动力学相似缩比模型的助推支承、两个弯曲模态主方向的模态参数有显著差别的特点,推导了火箭地面风载荷在模态主方向的非定常气动弯矩系数,给出了非定常气动弯矩的计算方法,并通过坐标转换,得到风轴气动弯矩系数的计算公式。将非定常气动弯矩系数中与动特性有关的参数统称为动态弯矩因子,从而统一了所有类型火箭的地面风载荷非定常气动弯矩系数的计算公式。此外为简化助推器支承火箭地面风载荷的试验方法,给出了气动加速度和位移系数的计算方法,提出了加速度因子和动态位移因子的概念。通过对CZ-5缩比弹性模型的动特性和弯矩因子的计算,分析了支承筒和不同构型模型的影响,并根据各阶弯曲模态对应的不同响应因子的变化,证明了地面风载荷试验只计及一阶模态的合理性。建议采用弯矩和位移测量数据分析非定常气动系数,不宜直接采用加速度数据计算气动系数。     

助推器支承的火箭地面风载荷非定常气动系数（下）

根据新一代运载火箭CZ．5及其动力学相似缩比模型的助推支承、两个弯曲模态主方向的模态参数有显著差别的特点,推导了火箭地面风载荷在模态主方向的非定常气动弯矩系数,给出了非定常气动弯矩的计算方法,并通过坐标转换,得到风轴气动弯矩系数的计算公式。将非定常气动弯矩系数中与动特性有关的参数统称为动态弯矩因子,从而统一了所有类型火箭的地面风载荷非定常气动弯矩系数的计算公式。此外为简化助推器支承火箭地面风载荷的试验方法,给出了气动加速度和位移系数的计算方法,提出了加速度因子和动态位移因子的概念。通过对CZ．5缩比弹性模型的动特性和弯矩因子的计算,分析了支承筒和不同构型模型的影响,并根据各阶弯曲模态对应的不同响应因子的变化,证明了地面风载荷试验只计及一阶模态的合理性。建议采用弯矩和位移测量数据分析非定常气动系数,不宜直接采用加速度数据计算气动系数。     

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.     

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。     

典型爆炸螺栓承载能力研究

在一次整流罩倒锥段的联合静力试验中,Ⅲ象限爆炸螺栓在未达到1．5倍设计载荷作用下出现假品拉断现象。为了揭示爆炸螺栓破坏的内在机理,分别建立了整流罩倒锥段整体有限元模型及爆炸螺栓精细有限元模型,对试验及飞行状态进行了计算仿真,有限元仿真结果与理论分析结果一致性较好。研究结果合理解释了爆炸螺栓破坏的内在机理,对该类型爆炸螺栓的承载能力有了更深刻的认识,为爆炸螺栓结构及技术指标的改进提供了理论依据,在螺栓的选型及安装等方面为设计部门给予了技术支撑。     

火箭动态弯矩测量的频响特性分析

介绍了火箭动态弯矩测量的方法和原理,利用横向弯曲振动梁理论,首次推导了悬臂梁和自由梁的端面弯矩动态放大倍数表达式,对箭体结构偏保守地计算了不同边界条件的载荷动态放大倍数。动态弯矩测量的频响范围可达到100Hz,测量部段的壳体响应频率(约150Hz)不影响30Hz以下的截面载荷测量结果,箭体动态弯矩测量方法的频响特性满足测量要求。另外分析了箭体直径变化的影响,比较了箭体动态弯矩测量与风洞测力天平的异同。     

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%。     

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。     

几何加工精度对气体动压径向轴承性能的影响

在保证轴承性能的前提下，如何减少轴承加工成本是每个轴承设计者所关心的问题。本文主要针对加工精度对全圆周光滑气体动压径向轴承性能影响进行了分析，列举了几种加工轴承孔的常用方法在一般工艺条件下所能达到的精度。简要讨论了影响轴承零件加工精度的因素。针对主要的加工误差：圆度误差与圆柱度误差对轴承性能影响作了气体润滑有限元分析，建立了一种考虑圆度误差及圆柱度误差影响的气膜厚度分布综合表达式。分析表明，加工误差对轴承性能的影响与误差的种类及参数有关；合理的圆度及圆柱度加工误差应控制在平均气膜厚度的２０％～３０％左右。     

火箭在地面风作用下的振动载荷识别

将地面风作用下的火箭作为一个非均质变截面梁,研究了非轴对称火箭的任意风向风振载荷识别问题。根据结构风振的特性,引入等效阻力系数和升力系数,利用风载荷作用下火箭的振动加速度或弯矩响应识别等效阻力和升力系数以及归一化随机载荷的功率谱。给出了等效阻力和升力系数与以往风载试验中使用的非定常阻力和升力弯矩系数的关系。     

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。     

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.