CN110308055B - 一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法，(1)将复合材料连接件插入复合材料被连接件的连接孔中；所述连接件为螺栓，在其螺纹光柱段处粘贴应变片；(2)固定所述连接件的螺栓头，将螺母旋入螺栓螺纹，初步拧紧；(3)按照试验预定的力矩值拧紧螺母，监测应变片的应变值；(4)更换相同规格的连接件，至少重复五次，记录力矩值和每次试验监测的应变值；(5)利用上述试验值确定满足精度要求的有限元仿真模型；(6)进而建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型；(7)根据所述的拧紧力矩与预紧力的映射关系模型，计算当前复合材料连接件连接过程中需要施加的预紧力对应的拧紧力矩，按照所述的拧紧力矩进行拧紧，实现可靠连接。

Description

一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法，属于精密装配领域。
背景技术
复合材料连接件以其良好的力学特性在航空、航天、船舶、汽车等领域具有越来越广泛的应用。然而，由于复合材料连接件制备工艺复杂，在结构和性能上具有非均匀性和各向异性，因此，传统金属连接件的装配拧紧力矩规范不适用于复合材料连接件，而针对复合材料连接件的装配拧紧力矩规范并不完善。由于复合材料连接件制造离散度高，在实际应用中易出现因力矩过大折断或力矩过小连接失效等情况。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供了一种适用于复合材料连接件拧紧力矩的优化方法，通过设计的监测工装可实现连接件拧紧力矩与螺栓受力应变之间的映射关系测量，通过映射关系数据构建有限元仿真模型，优化复合材料连接件拧紧力矩要求。
本发明的技术解决方案是：一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法，具体步骤如下：
(1)将复合材料连接件插入复合材料被连接件的连接孔中；所述连接件为螺栓，在其螺纹光柱段处粘贴应变片；
(2)固定所述连接件的螺栓头，将螺母旋入螺栓螺纹，初步拧紧；
(3)按照试验预定的力矩值拧紧螺母，监测应变片的应变值；
(4)更换相同规格的连接件，至少重复步骤(1)-步骤(3)五次，记录力矩值和每次试验监测的应变值；
(5)建立有限元仿真模型，按照上述试验的力矩值施加在螺母上，计算相应的应变值，通过步骤(4)中记录的试验数据迭代有限元仿真模型直至有限元仿真模型的计算精度满足要求，确定最终优化后的有限元仿真模型；
(6)利用上述优化后的有限元仿真模型，输入不同的预紧力值，计算对应连接件的拧紧力矩值；进而建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型；
(7)根据所述的拧紧力矩与预紧力的映射关系模型，计算当前复合材料连接件连接过程中需要施加的预紧力对应的拧紧力矩，按照所述的拧紧力矩进行拧紧，实现可靠连接。
优选的，所述步骤(5)得到优化后的有限元仿真模型后，编制有限元计算APDL文件，在文件中调整施加的预紧力值，计算连接件的拧紧力矩值。
优选的，步骤(6)中依据输入的不同拧紧力矩值以及对应的连接件的预紧力，通过力学公式推导与数据处理相结合的方式建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
优选的，所述的通过力学公式推导与数据处理相结合的方式建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型包括如下步骤：
根据连接件、被连接件的装配关系，确定二者之间预紧力与拧紧力矩的力学关系；
将连接件、被连接件的尺寸参数代入所述的力学关系中，得到拧紧力与拧紧力矩的力学关系式；
将根据有限元仿真模型得到的预紧力、拧紧力矩值代入所述的力学关系式，确定连接件与被连接件之间的摩擦系数，进而得到拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
优选的，将根据有限元仿真模型得到的一系列的预紧力、拧紧力矩值代入所述的力学关系式，得到连接件与被连接件之间的一系列摩擦系数，取其平均值作为最终的摩擦系数。
优选的，所述的预紧力与拧紧力矩的力学关系如下：
Figure BDA0002105446540000021
其中，T代表拧紧力矩，F0代表拧紧力；α代表螺纹升角，d2代表螺纹平均直径，D代表螺母下底圆直径，d0为螺母的螺纹外径。
优选的，所述步骤(6)中依据输入的不同拧紧力矩值以及对应的连接件的预紧力，通过训练的方式建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
优选的，通过螺栓固定装置实现连接件与被连接件之间的拧紧；所述的螺栓固定装置包括螺钉固定装置、螺母拧紧装置、被连接件支撑装置,其中，
螺钉固定装置为螺栓头压紧固定装置，为环状结构，环状结构一侧布置一个螺纹推杆结构，推紧后可固定卡紧螺栓头，推紧推杆结构可适应不同规格形式的螺栓头形式；
螺母拧紧装置为可调节开口尺寸的夹紧装置，配合力矩扳手实现螺母的拧紧；
被连接件支撑装置为中空结构，置于两个被连接件之间起支撑作用，连接件位于中空部分的螺纹光柱段上黏贴应变片。
优选的，所述的螺母拧紧装置的可调节开口尺寸的夹紧端为通过螺纹推杆调节开口尺寸，另一端为与力矩扳手可插接的转接头。
优选的，根据连接件的螺纹段长度和螺母厚度，调整连接件支撑装置长度，确保连接件螺杆长度-连接件支撑装置的长度-螺母厚度-被连接件厚度＞5mm。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用螺纹推杆结构，可测量不同规格形式的连接件；
(2)本发明针对复合材料连接件装配时无现行有效的完善的拧紧规范可循的问题，构建了复合材料连接件预紧力与拧紧力矩映射关系模型。在模型构建过程中，本发明解决了无法通过试验直接测量连接件预紧力的问题，通过间接测量拧紧力矩与应变值的对应关系，再基于测量值构建并修正有限元仿真模型，并利用有限元模型计算连接件在不同预紧力下的一系列拧紧力矩值，获取预紧力与相应拧紧力矩的样本数据，为后续构建预紧力与拧紧力矩的映射关系数学模型奠定基础；
(3)本发明通过将拧紧力矩分解为螺纹摩擦力矩和螺母承托面摩擦力矩，并进一步分析两种力矩与预紧力的力学关系，来构建拧紧力矩与预紧力的力学关系模型，最终借用有限元仿真计算的拧紧力矩与预紧力的样本数据，来最终构建拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
(4)通过试验获得一定数量的连接件拧紧力矩与应变值的映射关系，并将该映射关系用于优化有限元仿真模型，再基于优化的有限元仿真模型，计算更多组拧紧力矩与预紧力的映射关系，可实现根据设计需要的预紧力要求确定生产制造中为满足预紧力要求所需施加的拧紧力矩，可有效指导生产实践；通过螺纹推杆的形式可实现针对不同规格形式的螺钉螺母的压紧固定。
附图说明
图1为本发明螺栓固定装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
图1给出一种实现连接件与被连接件之间拧紧的螺栓固定装置，包括螺钉固定装置1、螺母拧紧装置4、被连接件支撑装置3和应变传感器。
螺钉固定装置1为螺钉头压紧固定装置，为环状结构，在一组对边处布置一个螺纹推杆结构，推紧后可固定卡紧螺钉头，推紧推杆可适应不同规格形式的钉头形式；
螺母拧紧装置4为可调节开口尺寸的夹紧装置，配合力矩扳手，可调节开口尺寸的夹紧装置一端为通过螺纹推杆调节开口尺寸，另一端为与力矩扳手可插接的转接头；
被连接件支撑装置3为通过螺纹、螺杆结构实现可伸缩顶压的装置；
应变传感器为粘贴在连接件直柱段处的应变片，可监测连接件5拧紧后的应变值。
具体本发明一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法步骤如下：
(1)根据连接件的螺纹段长度和螺母厚度，调整连接件支撑装置长度，确保连接件螺杆长度-连接件支撑装置的长度-螺母厚度-被连接件厚度＞5mm,将被连接件分布在被连接件支撑装置两侧，将连接件插入被连接件的连接孔中；
(2)将螺钉固定装置中的螺纹推杆沿远离螺钉方向推出，并将螺钉固定装置插入连接件钉头，旋转连接件使螺钉头与螺纹推杆端面平行，旋转螺纹推杆使推杆压紧螺钉头并将螺钉头固定住；
(3)将螺母选入螺钉螺纹，初步拧紧，将螺母拧紧装置的开口调至大于螺母对边距离后，将螺母拧紧装置套住螺母，旋紧螺纹推杆至压紧螺母；
(4)在螺纹光柱段处粘贴应变片，用于监测螺母旋紧后的应变值；
(5)将力矩扳手插入螺母拧紧装置，按照试验预定的力矩值拧紧螺母，监测相应的应变值；
(6)更换相同规格的连接件，重复步骤(1)-步骤(4)五次，记录力矩值和传感器测得的应变值；
(7)建立有限元仿真模型，在有限元仿真软件中建立试验用的连接件和被连接件的三维模型，根据每个零件所使用的材料在有限元仿真软件中设置相应的材料属性，对于复合材料连接件，其准确的材料属性难以通过材料拉剪试验获取，只能通过试验和经验确定材料属性的范围值，并选取一个材料属性值作为初步计算的参考值，按照试验工况，在钉头施加固定约束，在螺母上施加相应的力矩值，计算相应的应变值，如果计算的应变值与试验数据相比误差较大，调整复合材料的材料属性值进行重新计算，直至最终迭代优化的有限元仿真模型的计算精度满足要求；
(8)基于迭代优化的有限元仿真模型，编制有限元计算APDL文件，在文件中调整施加的拧紧力矩值，计算连接件的预紧力，可实现程序自动运行；
(9)通过数据处理，建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型，通过力学公式推导获得预紧力与拧紧力矩的力学关系，如公式(4)所示。
Figure BDA0002105446540000051
其中，螺纹上升角α，螺纹平均直径d2，螺母下底圆直径D和螺纹外径d0均为设计尺寸，即为确定值。除此之外，决定装配力矩与预紧力关系的参数只取决于摩擦系数。将步骤(8)中计算的预紧力和与之对应的拧紧力矩值代入公式(4)中，可获得一系列摩擦系数f，计算其均值作为摩擦系数，可构建拧紧力矩与预紧力之间的映射关系模型。
以SiC/C材料制造的M10连接件为例，其尺寸参数如下，螺纹升角α＝15°，螺纹平均直径d2＝9.25mm，螺母下底圆直径D＝22mm，螺纹外径d0＝10mm，将其代入公式(4)中，得到公式(5)。
T＝F0×tan(15+tan-1f)×9.25/2+F0×f(223-103)/3×(222-102) (5)
将有限元仿真计算结果代入公式(5)中，反求摩擦系数f＝0.3，最终可得到拧紧力矩与预紧力的映射关系模型如公式(6)所示。
T＝5.66F0 (6)
本发明公开了一种适用于改性C/C连接件拧紧力矩优化方法，通过试验获得连接件拧紧力矩与应变值的对应关系，并将该对应关系用于修正有限元仿真模型，再基于修正的有限元仿真模型，计算拧紧力矩与预紧力的部分样本映射关系，最终通过力学公式推导与数据分析相结合，构建拧紧力矩与预紧力的数学映射关系模型，可实现根据设计需要的预紧力确定生产制造中的最优拧紧力矩；通过螺纹推杆的形式可实现针对不同规格形式的螺钉螺母的压紧固定。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种提高复合材料连接件连接可靠性的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将复合材料连接件插入复合材料被连接件的连接孔中；所述连接件为螺栓，在其螺纹光柱段处粘贴应变片；
(2)固定所述连接件的螺栓头，将螺母旋入螺栓螺纹，初步拧紧；
(3)按照试验预定的力矩值拧紧螺母，监测应变片的应变值；
(4)更换相同规格的连接件，至少重复步骤(1)-步骤(3)五次，记录力矩值和每次试验监测的应变值；
(5)建立有限元仿真模型，建立试验用的连接件和被连接件的三维模型，根据每个零件所使用的材料设置相应的材料属性，对于复合材料连接件，通过试验和经验确定材料属性的范围值，并选取一个材料属性值作为初步计算的参考值，按照试验工况，在钉头施加固定约束，在螺母上施加相应的力矩值，计算相应的应变值，如果计算的应变值与试验数据相比误差较大，调整复合材料的材料属性值进行重新计算，直至最终迭代优化的有限元仿真模型的计算精度满足要求；
(6)利用上述优化后的有限元仿真模型，输入不同的预紧力值，计算对应连接件的拧紧力矩值；进而建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型；
(7)根据所述的拧紧力矩与预紧力的映射关系模型，计算当前复合材料连接件连接过程中需要施加的预紧力对应的拧紧力矩，按照所述的拧紧力矩进行拧紧，实现可靠连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)得到优化后的有限元仿真模型后，编制有限元计算APDL文件，在文件中调整施加的预紧力值，计算连接件的拧紧力矩值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中依据输入的不同拧紧力矩值以及对应的连接件的预紧力，通过力学公式推导与数据处理相结合的方式建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的通过力学公式推导与数据处理相结合的方式建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型包括如下步骤：
根据连接件、被连接件的装配关系，确定二者之间预紧力与拧紧力矩的力学关系；
将连接件、被连接件的尺寸参数代入所述的力学关系中，得到拧紧力与拧紧力矩的力学关系式；
将根据有限元仿真模型得到的预紧力、拧紧力矩值代入所述的力学关系式，确定连接件与被连接件之间的摩擦系数，进而得到拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：将根据有限元仿真模型得到的一系列的预紧力、拧紧力矩值代入所述的力学关系式，得到连接件与被连接件之间的一系列摩擦系数，取其平均值作为最终的摩擦系数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的预紧力与拧紧力矩的力学关系如下：
Figure FDA0003343702330000031
其中，T代表拧紧力矩，F0代表拧紧力；α代表螺纹升角，d2代表螺纹平均直径，D代表螺母下底圆直径，d0为螺母的螺纹外径。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中依据输入的不同拧紧力矩值以及对应的连接件的预紧力，通过训练的方式建立拧紧力矩与预紧力的映射关系模型。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过螺栓固定装置实现连接件与被连接件之间的拧紧；所述的螺栓固定装置包括螺钉固定装置(1)、螺母拧紧装置(4)、被连接件支撑装置(3),其中，
螺钉固定装置(1)为螺栓头压紧固定装置，为环状结构，环状结构一侧布置一个螺纹推杆结构，推紧后可固定卡紧螺栓头，推紧推杆结构可适应不同规格形式的螺栓头形式；
螺母拧紧装置(4)为可调节开口尺寸的夹紧装置，配合力矩扳手实现螺母的拧紧；
被连接件支撑装置(3)为中空结构，置于两个被连接件之间起支撑作用，连接件位于中空部分的螺纹光柱段上黏贴应变片。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的螺母拧紧装置的可调节开口尺寸的夹紧端为通过螺纹推杆调节开口尺寸，另一端为与力矩扳手可插接的转接头。
10.所述权利要求8所述的方法，其特征在于：根据连接件的螺纹段长度和螺母厚度，调整连接件支撑装置长度，确保连接件螺杆长度-连接件支撑装置的长度-螺母厚度-被连接件厚度＞5mm。
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航空发动机典型螺纹连接副高温蠕变和疲劳寿命研究;周红磊;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20170515;C031-20 *
螺栓拧紧力矩的确定方法及相关探讨;张振华;《化学工程与装备》;20090831;105-108 *
螺栓连接的有限元建模及仿真分析;辛鹏等;《车辆与动力技术》;20151231;58-62 *

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