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基于螺栓连接的研究摘要：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。本文主要讲述螺栓连接的特点及发展方向，同时介绍了温度和振动对于螺栓连接的影响。然后，探讨目前对于监测和辨别螺栓链接健康状态的方法。关键词: 螺栓连接；温度；振动；健康监测；螺栓联接是应用最广泛的。螺栓联接具有预紧、联接、紧固等功能，可拆卸，易维修，通过标准化，实现了大批量生产，成本低而价格便宜，具有互换性，因此，在各种机械和结构中被广泛采用。螺栓联接较其他联接的优点之一是可拆卸、易维修，但同时这也是它的弱点，特别是在高速运转、振动强烈的火车、汽车、飞机、坦克等大型机械设备中，已数不胜数。随着机械向高速、精密化发展，工业规模向大规模、自动化发展以及航空航天技术的发展等，螺栓紧固件联接的防松问题变得越来越突出。因而当对螺栓联接具有较高的要求时，现有的定量或定性分析就显得无能为力，不足以应付某些重要机器设备中，作用很关键的螺栓连接。同时，当机械结构受到冲击、振动和蠕变等力学环境的作用，螺栓连接的状态往往会发生改变，出现滑动、分离甚至松脱等现象。而在实际工作中，温度和机械机构振动对螺栓连接危害特别大，会改变连接状态，会破坏结构的完整性，危害结构的功能性和安全性。因此，在结构服役期间，对在两方面研究，有效地监测和评估机械螺栓连接的实际状态，对于保证结构安全、避免重大安全事故和降低事故危害性具有重要的实际意义和应用价值。1. 螺栓连接的基本特点及发展现状1.1螺栓连接的基本特点 紧固件连接在工业上的广泛应用就是螺栓连接，其特点决定了其螺栓连接设计有别于其他行业的特殊性。其特点如下：1)决定螺栓连接寿命的设计因素是在连接结构的设计和计算阶段出现的。连接接结构和紧固件的选材又在很大程度上决定了航空发动机的寿命。连接接头的设计参数，如螺栓间距、距板件边缘的边距、连接零件的厚度以及紧固件的直径，都会对结构的静强度和疲劳强度有影响。紧固件的间距决定了两个相邻螺栓的干涉量造成的残余应力之间的相互影响状态1。2)紧固件在航空发动机上用量大，如果在螺栓连接方面能减轻重量，则对发动机的重量控制有很大贡献。然而，只有提高连接的承载能力的前提下才能兼顾减重问题2。3)适应连接处不开敞甚至难以接近的情况。4)连接的防松问题十分突出。许多连接承受冲击、振动和变载，连接松动的机制不完全相同，更使这个问题复杂化。螺栓虽小，但关系重大。一旦松动不仅影响连接刚性及连接定心、定位的可靠性，而且会打坏周围的机件，一旦这样会造成严重的后果。另外，从可靠性角度分析，特别作为航空上广泛使用的螺栓连接也具有航空发动机的如下特征：1）高速旋转机械。区别于一般非旋转机械和电子机械的可靠性。2）多个零组件组成。整机的可靠性是建立在单元体可靠性的基础上。只有当零组件的可靠性实现时，发动机整体的可靠性才得以保证和实现。3）载荷与受力复杂。发动机是在高转速、高温、高载荷下工作，受有静力裁荷、动力载荷，受有高、低周疲劳和热疲劳等作用。对发动机安全性与可靠性的保证及研究等工作，都带来很大的困难。4）可修复与不可修复。发动机中的零组件有的为可修复件，有的为不可修复件，往往视情况而定。发动机整机在使用过程寿命期间可分为修复件和可更换零组件。而在单元体结构中，可分为更换件和视情况维修件，但有些零件为不可修复失效件。5）故障模式繁多、故障率较高。组成发动机的零组件较多，而每一个零组件往往具有多种故随模式。航空发动机的故障率是比较高的，尤其是对那些偶发性故障，其故障比较严重，往往形成了致命性影响。6）发动机本身工况与使用环境都比较复杂3。1.2螺栓连接的发展现状近些年螺栓连接的发展分为两个方面，其一是螺栓本身的发展，包括新结构、新材料和新的制造工艺其；二是螺栓连接使用方法的发展，即连接设计二者相辅相成。随着机械结构件整体化的发展，使用的紧固件数量将有所减少，但对设计的要求则越来越高。发展新型紧固件和连接方法，采用自动化或专门装置代替手工操作，是机械连接工艺总的发展趋势4。2温度对螺栓连接的影响在长期的运行，由于环境的温度不断地变化，特别是在高温及高应力作用下，会对螺栓材料易产生热脆、蠕变、疲劳以及应力腐蚀，正是由于对螺栓材料的影响很大，从而导致螺栓连接的松动，更具危害的是导致螺栓的断裂。这样的话，严重危害设备的安全，特别是在航空领域，一个小小的螺栓断裂，会导致机毁人亡。因此，我们需要注意温度对于螺栓连接的影响。目前，在国内外关于温度对于螺栓连接的影响做了各方面的研究，并且就如何防松做了大量的探索。在高温环境下高强度螺栓连接力学性能及极限承载力方面，英国的Kirby B R针对8.8级高强度螺栓进行了高温下的抗拉和抗剪试验，发现在300700 时，螺栓抗拉、抗剪承载力有较显著的损失，并在此基础上提出了螺栓连接在高温下剪切和拉伸极限强度的折减系数5。Lawson R M进行了梁柱节点的抗火试验6，Sahumoto Y7，Brash R A8也作过类似的研究。在国内，同济大学对高温条件下，高强度螺栓材料20MnTiB的力学性能、喷砂处理时抗滑移系数的变化进行了试验研究9，并采用有限元方法分析了高强度螺栓在高温下的受剪和受拉性能10。陈华进行了高温下高强度螺栓连接极限承载力的试验研究12。在不同温度下螺栓极限载荷方面，侯智斌等13针对温度影响螺栓强度设计的难点，详细探讨变化温度螺栓极限载荷的计算，满足该温度区间下松螺栓设计、控制紧螺栓设计的要求, 可供螺栓专业设计参考。在复杂复杂热环境下连接接头的温度场和热应力研究方面，由于复杂热环境下结构连接接头起到热连通器的作用，石磊14研究接头在复杂温度场条件下的温度场和热应力对于工程设计具有实用意义。利用有限元方法，通过热/力有限元模型的建立以及边界条件的处理，应用数值计算对接头温度、温度梯度和热应力的变化规律进行了分析研究， 得出了复杂热环境下接头的稳态温度及热应力分布。同时，根据高温特殊的环境，熊军15针对火力发电厂高温紧固螺栓超声波检验的特点，介绍了采用小角度纵波探伤法辅以横波探伤法的综合检验工艺，总结了在实际探伤工作中的经验，以实现对大于或等于M 32的高温螺栓的有效检验。3 振动条件下的螺栓连接3.1 振动环境下对螺栓连接的影响目前，由于螺栓连接广泛在于机械装配结构中。但是，机械机构在运行的过程中产生的振动对于螺栓连接的状态的影响，主要体现在使其发生滑动、分离、松脱以及严重的后果断裂，从而严重影响结构的功能性和安全性。3.2 常规的振动条件下防松措施螺纹联接防松的实质，在于防止工作时螺栓与螺母的相对转动，具体的防松方法和防松装置很多。避免螺栓联接在振动下自动松脱主要途径有三种16：第一是防止摩擦力减小到临界值之下；第二是阻尼振动，防止过强的振动作用于螺栓联接；第三是防止螺栓螺母相对转动。根据生产实际中广泛采用的有效防松措施，可以归结为如下五种基本的防止螺栓联接振动松脱的方法：（1）保持螺旋和被联接件接触表面件的摩擦力，防止摩擦力下降至造成松脱的临界值之下；（2）用机械的方法，借助于各种金属制动元件，防止螺母与螺栓、螺母与被联接件相对转动；（3）用机械的方法防止被联接件的相对滑移（阻尼振动）；（4）提供一个有效力矩来抵消拆卸力矩（螺母松脱力矩）的作用；（5）把螺旋副变为非运动副，排除螺母相对转动的可能性。3.3 振动环境中螺栓连接结构的状态监测发展现状 螺栓连接是典型的多尺度非线性问题。连接的存在造成了结构局部刚度和阻尼的不连续。振动环境中连接界面在切向可能发生相对滑移，在法向可能发生间隙分离和冲击碰撞。滑移形式既包括只发生在界面局部区域上的微观尺度上的滑移（Micro-Slip），又有接触面整体相对运动的宏观尺度上的滑动 （Marco-Slip） 间隙和碰撞形式也既包括微观尺度上的拍击(Micro-Slap)。还有宏观尺度上的分离碰撞（Marco-Separation）。摩擦和间隙是螺栓连接在振动环境中两种典型的非线性行为。在这些行为支配下，结构的动力响应表现出丰富和复杂的非线性振动现象，如倍频、分频、分岔、混沌等17。 振动环境中螺栓连接结构的状态监测和辨识问题属于非线性动力学的理论和应用基础问题，长期以来都是国际上科学工程界研究的前沿和热点。国内外在结构健康监测（StructuralHealth Monitoring, SHM）的研究范畴内开展了大量的研究工作，但目前仍没有一套公认的成熟可靠的机械螺栓连接状态监测、辨识理论和方法。近年来，随着非线性动力学、智能材料与结构、接触摩擦力学及相关信号处理分析、振动测试软硬件技术等的快速发展，螺栓连接的状态监测和辨识方法的研究出现了新的契机，结构健康监测的新理论、新方法和新技术被不断应用于螺栓连接的状态监测和识别，同时针对螺栓连接结构非线性特点的监测和辨识方法也被提出。目前，在这方面国内外做了大量的研究。徐超18基于非线性系统动力学理论的状态检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技术；Caccese等19和Brown、Adams20在接头处测试其传递性通过措施；Todd等21通过结构固有频率和振型评估监测变化的有效性。Nichols等22使用数据驱动模型；Moniz等23使用一种多元attractor-based结构健康检测方法，来监测结构状态。Trendafilova 和 Van Brussel24在监测机器人关节时，探索了螺栓连接的松动，同样Tjahjowidodo等25也注意到了；Rutherford等26和Ritdumrongkul 、Fujino27用阻抗法评估重要接头结构的损伤。A.Milanese等28基于随机振动来分析螺栓松动，来探索损伤检测和健康监测技术。3.4基于振动分析的螺栓连接状态监测和辨识方法螺栓连接结构的状态监测问题属于结构健康监测和损伤识别的研究范畴29。结构健康监测的原理、方法和技术被不断应用于解决连接结构的状态监测问题。3.4.1 基于结构动力学参数的状态监测和辨识 基于结构动力学参数的结构健康监测方法是状态监测和识别的经典方法（Deobling et al.,199630，Sohn et al.,200431，Montalvao et al.,200632）。其基本原理是结构的状态变化，会导致结构动力学振动参数发生相应的变化，因此可将观测到的结构动力学参数与基准参数比较，并选择其中最有可能的变化来判断结构的真实状况。常用的结构动力学参数有频率、振型、模态曲率、频响函数、动柔度、传递函数和功率谱等。3.4.2 基于机电阻抗法的状态监测和辨识螺栓连接松动造成的紧固力下降对结构动力学响应的影响主要体现在高频谱段。基于机电阻抗的监测方法利用结构高频段（通常20KHz）阻抗信息对结构的损伤状态进行监测。由于结构在高频段建模存在很大困难，目前提出的基于机电阻抗的方法大多是无模型方法，也即通常将结构损伤后的阻抗谱与其健康状况下的阻抗谱相比，来确定损伤的程度。自1995年Sun首次提出应用压电阻抗方法对桁架结构进行状态监测以来33，较多文献研究了利用该方法对机械螺栓连接进行状态监测和辨识（Park et al., 200334 ，Sopon et al.,200435 ，David etal.,200636）。国内也有相关应用技术报道37-38。参考文献1. 雅柯维茨 飞机长寿命螺栓连接和铆接技术 北京航空业出版社，19922. 叶君主编 实用紧固件手册 北京机械工业出版社，20023. 孔瑞莲等 航空发动机可靠性工程 北京航空工业出版社，19954. 技术进步促进紧固件创新 中国紧固件网，20075. 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