(上海宇航系统工程研究所，沈阳)(复旦学院航天民航大学，上海)摘要针对法兰对接和径向套接两种典型舱段螺丝联接方式，基于有限元静挠度估算、动力学简化建模、冲击响应特点剖析及结构冲击试验，系统研究了两种联接方式的轴向挠度特点及其对动力学冲击响应的影响。有限元静挠度剖析阐明了法兰对接与径向套接的轴向拉压挠度分别是非对称的和对称的，而法兰对接的平均挠度更大。以后，为两种联接方式构建了统一的动力学模型，证明非对称的轴向拉压挠度造成结构在遭到纵向荷载作用时会形成附加的耦合轴向震动，但是借助高精度幂函数拟合挠度跳变，得到耦合轴向震动频度是弯曲震动频度的二倍的推论。最后，通过冲击动力学试验证明了法兰对接存在二外频的耦合轴向震动，而径向套接则不存在该耦合震动。径向套接似乎一阶频度较低，但减振疗效更好。关键词螺丝联接，法兰对接，径向套接，挠度特点，耦合震动中图分类号：V414。1文献标示码：Adoi：10。6052/1000-0879-15-(,,China),,,China)ffoltedfl。
First,fififf,。tiffflncy。unififliffness。ff,,。,fl,-。
ncyfi。,fl,,stiff,本文于2015–12–03收到。博士，主要从事结构震动剖析、载荷设计等研究工作。E-mail:@126。com引用格式：邢建伟,两种典型螺丝联接结构的挠度特点比较研究。热学与实践,2016,38(1):27-,,,etal。ffs。,2016,38(1):27-3228联接结构广泛应用于各种工程结构中，尤其在客机、卫星等复杂结构的飞行器上大量存在。联接结构除了明显降低了减振，同时也改变了整体结构的挠度分布，致使结构动力学响应呈现出显著的非线性特点[3-5]螺丝联接是飞行器结构中最常用的一种联接方式，用于舱段之间的螺丝联接可分为两大类：轴向联接和径向联接，其中轴向螺丝法兰对接和径向螺丝套接是这两类联接方式的典型代表。
剖析、比较这两种联接方式的挠度特点，对飞行器结构设计与动力学剖析有着重要的实际意义。能够构建确切的联接结构动力学模型，是阻碍飞行器结构动力学剖析的关键诱因之一，但迄今为止，还没有得到才能普遍适用的联接模型栓联接的静力学剖析通常都可以通过有限元方式并考虑接触面特点得到较为确切的仿真结果而困难重重。不考虑非线性，李效韩等借助等效梁模型线性地模拟子结构之间的联接挠度，并通过模态试验数据进行了参数辨识。Kim用有限元法对联接结构细节进行建模弹簧刚度串联和并联的公式，设置界面接触及磨擦系数，并且这些方式会造成整体估算规模过分庞大且精度不易保证。Iwan模型[11]是一种常用的螺丝联接非线性模型，它由一列并行的单元构成，每一个单元包含一个线性弹簧单元和一个设定了临界滑移力的库仑磨擦单元。Song[12]改进了Iwan模型，提出了AIBE(ents)单元，并通过框架结构试验证明了采用这些单元可以较好地模拟同参数螺丝联接的动力学特点。但是，Iwan模型和AIBE单元都是一维的，须要扩充为二维和三维方式应用到实际情[13]，且就本文作者查阅之文献，未看到其二维情况的实际应用。
据悉，[14]基于Dahl[15]降低了速率影响项，假设接触面的不平整像毛刷一样，通过每位刷毛的接触与分离来模拟动态磨擦力的迟缓现象。Luan[16]提出了一种双线性弹簧模型，模拟管线法兰联接的拉压挠度不同的特点，采用分区求解的方式数值求解简化模型的动力学响应，并且该文献没有研究螺丝套接联接方式。本文分别采用法兰对接和径向套接的螺丝联接方式，将两个钢筒联接上去，作为模拟飞行器舱段联接的实验结构。首先通过有限元方式，比较剖析了两种联接方式的轴向挠度特点；以后，为两种联接方式构建统一的动力学模型，借助光滑连续函数[17]拟合联接段轴向挠度的跳变现象，获得简化动力学模型的纵向冲击响应，剖析了轴向联接挠度的对称性对纵向冲击荷载作用下结构整体动力学响应的影响；最后通过冲击试验弹簧刚度串联和并联的公式，验证前述剖析的正确性与有效性，并初步比较了两种联接方式的减振特点。静挠度非线性剖析舱段联接模型结构如图的规格、材料完全相同，长400mm、内径83mm、厚mm、材料为结构钢(密度为850kg/m、弹性挠度为210GPa、泊松比为0。3)，两钢筒末端均焊有相同规格的法兰，腹部由联接段相连。
两种螺丝联接结构示意图联接段有两种联接方式，轴向对接(轴向螺丝外翻法兰联接)和径向套接(径向螺丝套接)，法兰对接的对接面和径向套接的螺丝中轴均距离两钢筒底400mm，以保证两联接方式的结构一致性。套接15mm的联接区内、外分别缩减1。5mm长度，致使两筒内外套合。两种联接在环向都M6内六角形螺母，螺丝预紧力为2。5用有限元法剖析两种联接方式的轴向挠度特点，对联接段尤其是螺丝采用精细建模，接触面之间的磨擦系数为0。2，将筒B的下表面固定、在筒A的上表面分别施加轴向压力和拉力(分别从渐降低到800(分别距离所在钢筒底面250mm，即两者宽度300mm)之间的轴向位移差P1P2，得到力--位移曲线如图所示。从图上可以直观地听到，与径向套接不同，轴向对接的联接结构邢建伟等：两种典型螺丝联接结构的挠度特点比较研究29在轴向力反向时位移曲线发生偏折，即轴向挠度发生改变。部份组成，其总体挠度kP1P2部分区域的挠度串联而成。假定联接段影响区域为20mm，其挠度为140mm。按照材料热学公式，A筒壁区的轴向挠度相等，均为其中，E为钢材料杨氏泊松比，A两种联接方式联接段的轴向静挠度如表1所示。
两种联接方式的轴向静挠度联接挠度轴向对接/(Nm对称性非对称对称可知，忽视径向套接轴向拉压挠度间的估算偏差(0。9%,1。4%)，法兰对接结构的轴向拉压挠度不对称、径向套接结构的轴向拉压挠度对称，这是法兰对接结构轴向挠度重要的非线性特点。径向套接的拉伸挠度要小于轴向对接，这是因为法兰在遭到拉伸作用时，法兰面之间不传递拉力而全部由螺丝本身受力，挠度自然会增加；另一方面，轴向法兰对接的压缩挠度要小于径向套接，这时法兰面之间垂直接触传递压力而套接面之间则需要通过磨擦力和螺丝的剪切变型传递压力，其实前者的轴向挠度更高。综合拉伸与压缩挠度，设平均挠度为表示压挠度。由于联接结构从拉伸(压缩)到压缩(拉伸)完成一个受力循环，所以平均挠度可以觉得是一个综合评定拉伸与压缩共同作用疗效的指标。轴向对接与径向套接的平均挠度分别为1。,746。9MPa，这意味着从总体疗效上看，假如整体结构存在动力学响应，即联接结构发生多次从拉伸到压缩的受力循