温度和横向载荷耦合作用下螺栓连接结构松动行为研究

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螺栓连接作为工程应用中重要的连接部件,在温度、振动、冲击等服役环境中,易出现松动失效现象,从而导致连接结构失效。因此,国内外学者不断致力于螺栓连接的松动机理及防护方法研究,但是温度和振动耦合作用下螺栓连接结构松动失效的相关研究较少。本论文重点开展了温度和横向载荷耦合作用下螺栓连接的松动行为研究,这对交变温度及振动环境下螺栓连接的实际工程应用、拓展等方面具有重大意义。本论文设计了螺栓连接松动试验夹具和温度加载装置,开展了不同温度环境下螺栓连接结构的松动行为研究。通过分析温度环境下螺栓连接结构的动力学响应和螺栓轴向力的时变曲线,结合螺纹表面形貌和剖面形貌的微观分析,研究温度环境下螺栓连接的松动机理。同时,选取了两种涂层,研究了温度环境下两种涂层螺栓连接的防松性能。此外,运用有限元方法模拟了螺栓连接在室温和高温环境(180℃)下的松动过程,分析了螺纹表面在不同温度环境和摩擦系数时的接触应力和相对滑移幅值,探究螺纹接触界面的接触状态。本论文获得的主要结论如下:(1)室温和高温环境下螺栓连接的松动行为都可以分为两个时期:第一时期,由于螺栓连接结构发生塑性变形以及螺纹接触表面的粗糙峰被去除,螺栓轴向力迅速下降;第二时期,由于接触螺纹表面发生微动磨损,螺栓轴向力缓慢下降。(2)螺栓连接结构在高温环境下进行静置,冷却至室温后,其松动程度随着温度的增大而增大;在相同振动环境下,螺栓连接的松动程度随着温度的增大而增大。疲劳磨损、磨粒磨损和氧化磨损是接触螺纹表面的主要磨损机制。当工作温度较高时,螺栓发生松动的同时,螺纹牙底也因应力集中萌生疲劳裂纹。(3)DLC涂层螺栓/螺母连接结构在室温条件下和高温环境中都具有一定的防松性能,而Cr Al N涂层螺栓/无涂层螺母连接结构在室温时具有一定的防松性能,在高温环境下的防松性能较差。磨粒磨损和疲劳磨损为螺纹接触界面之间的主要磨损机制。(4)螺纹表面的接触应力分布不均匀,且高温环境下螺纹表面分布不均的程度比室温更大。随着工作螺纹圈数增加,螺纹表面的接触应力和相对滑移幅值减小。螺纹接触界面间的摩擦系数越大,越不易发生相对滑移,螺纹表面的接触应力增大。
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