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    一種柴油機機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)沖擊極限載荷快速計算方法

    2016-01-15 05:26:24高霄漢,汪玉,杜志鵬
    振動與沖擊 2015年18期
    關(guān)鍵詞:螺栓沖擊

    第一作者高霄漢男,博士生,1974年生

    一種柴油機機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)沖擊極限載荷快速計算方法

    高霄漢1,汪玉2,杜志鵬3,杜檢業(yè)3

    (1.海軍工程大學(xué), 武漢430033; 2.解放軍92857部隊,北京100161; 3. 解放軍92537部隊,北京100161)

    摘要:把柴油機機腳螺栓連接簡化為雙彈簧模型,將其與設(shè)備一起簡化為單自由度系統(tǒng),結(jié)合等效彈簧的柔度曲線規(guī)律,設(shè)定了機腳螺栓連接的沖擊失效判據(jù),并建立了系統(tǒng)的沖擊動力學(xué)方程。在這一過程中找到了一種快速判斷機腳螺栓連接抗沖擊性能的方法。

    關(guān)鍵詞:螺栓;雙彈簧系統(tǒng);沖擊;結(jié)合面分離

    基金項目:國家自然科學(xué)基金(51209215)

    收稿日期:2014-07-04修改稿收到日期:2014-08-19

    中圖分類號:O347.3文獻標(biāo)志碼:A

    Fast computation method for limit shock load of engine bracket bolts

    GAOXiao-han1,WANGYu2,DUZhi-peng3,DUJian-ye3(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. Unit 92857 of PLA, Beijing 100161, China; 3. Unit 92537 of PLA, Beijing 100161, China)

    Abstract:A double-spring model for bolted joints was introduced as the model of engine bracket bolts and the system integrating the equipment and the bolted joints was considered as a one degree of freedom system. Taking into account the effect of interface opening on the elastic behavior of bolted joints, a disabling criterion for bolted joints under impact load was proposed. The dynamics equation of the system was built and a fast computation method for the limit shock load of engine bracket bolts was presented.

    Key words:bolt; double-spring model; impact; interface opening

    眾所周知,水下非接觸爆炸會對船舶設(shè)備造成嚴(yán)重破壞[1]。而大型設(shè)備中的某些連接件,如柴油機機腳螺栓,承受的沖擊載荷會更大,屬結(jié)構(gòu)中薄弱環(huán)節(jié),需特別關(guān)注。目前國內(nèi)對于船舶設(shè)備抗沖擊研究,主要采取沖擊實驗校核方法,而對其抗沖擊能力沒有定量的認(rèn)識?;诖?,國內(nèi)在研究設(shè)備抗沖擊的過程中引入了沖擊極限載荷的概念。其定義為在沖擊作用及其后過程中,船用設(shè)備功能具有一定的可用性,其沖擊響應(yīng)(應(yīng)力、變形、配合等)達到最大允許值所對應(yīng)的虛擬理論載荷。馮麟涵[2]即采用設(shè)計沖擊譜(Ds,Vs,As)來描述這一概念,并采用時域法建立設(shè)備精確有限元模型,逐漸增強沖擊環(huán)境,求解轉(zhuǎn)換后的時間歷程沖擊載荷作用下的設(shè)備響應(yīng),得到設(shè)備沖擊響應(yīng)所對應(yīng)的設(shè)備毀損的最小沖擊輸入。計晨等[3]也采用了類似方法得到了某齒輪箱的沖擊極限載荷。顯然上述方法耗費的工作量很大。而用上述方法來獲取機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)的沖擊極限載荷并不適宜。一方面是因為很難在多體動力學(xué)模型中準(zhǔn)確模擬這類連接件的傳遞特性,另一方面,機腳螺栓連接體量相對柴油機而言較小,如用上述方法則會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量較大,使得多體動力學(xué)計算模型較大,影響計算速度,甚至在某些剛?cè)峄旌辖G闆r下,這種大剛度梯度使得計算難于順利進行。而如果僅考量機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)本身的抗沖擊情況,上述方法顯然也將問題復(fù)雜化了。本文即是針對這一問題,綜合國內(nèi)外對螺栓連接系統(tǒng)抗沖擊研究,將機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)簡化為雙彈簧系統(tǒng),將機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)及其上的柴油機模塊簡化為單自由度系統(tǒng),結(jié)合雙彈簧系統(tǒng)柔度特性曲線規(guī)律,建立單自由度系統(tǒng)的沖擊動力學(xué)方程,并找到了一種快速計算其沖擊極限載荷的方法。從而避免了繁瑣的多體動力學(xué)及螺紋連接建模過程。

    1螺栓連接結(jié)構(gòu)的模型

    由于機腳螺栓連接所處位置特殊,它對柴油機整機的動力學(xué)特性也有較大影響,因此除需考慮抗沖擊要求外,還需考慮抗疲勞、防松等多種要求[4]。這些要求必須在螺栓連接模型中加以體現(xiàn)。目前螺栓在研究中多以彈簧-阻尼單元或梁單元作等效替代,該方法使計算量驟減,但要找到一種能準(zhǔn)確描述螺紋連接內(nèi)在特性,特別是其非線性特性的等效模型是非常困難的。國內(nèi)外許多學(xué)者在這方面都做了大量研究[5-6],本文采用的是德國VDI2230-2003高強度螺紋連接系統(tǒng)計算指南的雙彈簧模型,其原理為將螺栓連接簡化為雙彈簧系統(tǒng)(見圖1),模型中螺紋受拉,用拉伸彈簧表示,被連接件受壓,用壓縮彈簧表示,模型中考慮了預(yù)緊力,這樣就考慮了螺紋連接的抗疲勞及防松要求了。根據(jù)機腳螺栓的實際裝配、預(yù)緊及受載情況,將其歸屬于偏心夾持、偏心加載的螺栓。則模型組合柔度公式為:

    (1)

    圖1 預(yù)緊螺紋連接結(jié)構(gòu)等效彈簧模型 Fig.1 Equivalent spring model of preloaded bolted joint

    圖2 機腳模型 Fig.2 Model of the engine bracket

    為方便對照,選取某一柴油機機腳螺栓強度校核模型算例,設(shè)該柴油機總重約1t,設(shè)備底部共有4個機腳,每個機腳通過4個螺釘連接到機體上,通過一個螺栓固定在柴油機安裝支座上。機腳模型見圖2。在水下非接觸爆炸時,機腳螺栓首先承受基礎(chǔ)傳來的沖擊載荷,屬機構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),且每個機腳此類螺栓僅有1個,如果這一螺栓發(fā)生松弛,必然會使柴油機上眾多的連接管路的相對位移增大,造成更大的破壞。因此本文即以機腳螺栓的連接強度作為研究重點,暫不考量機腳上的其他4個螺釘連接。

    由式 (1)可計算出螺栓連接結(jié)合面分離前的組合柔度為1.92×10-6mm/N。結(jié)合螺紋連接結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)模型,可得某一螺紋預(yù)緊力下的螺栓結(jié)構(gòu)組合柔度曲線(見圖3)??梢钥闯觯蛛x前,柔度保持不變,且曲線經(jīng)過原點;部分分離時,柔度逐漸增加;完全分離后,也是直線關(guān)系,但該直線的延長線不經(jīng)過原點,與縱軸的交點取決于結(jié)構(gòu)的幾何特性和裝配預(yù)緊力。

    圖3 等效彈簧變形與螺紋連接受力的非線性關(guān)系 Fig.3 Nonlinear relationship between deformation of spring and bolted joint load

    在以往的許多設(shè)備沖擊極限載荷研究中,都將沖擊應(yīng)力響應(yīng)大于材料靜態(tài)屈服極限應(yīng)力σs作為失效標(biāo)準(zhǔn)。但材料在高應(yīng)變率情況下動態(tài)性能會得到提高,因此,采用這一標(biāo)準(zhǔn)對某些材料可能過于保守[9]。另外,機腳螺栓結(jié)構(gòu)失效時常附帶一些功能性失效的因素。偏心加載時,隨著載荷的加大,螺紋連接結(jié)構(gòu)會發(fā)生單邊分離,即出現(xiàn)連接面的某一邊緣壓縮應(yīng)力變?yōu)?情況。此時螺栓所受附加載荷會急劇上升,極大值出現(xiàn)在兩者完全分離時刻,分離后螺栓的應(yīng)力相比分離前會顯著增加(見圖4)。而螺栓抵抗橫向載荷和彎曲載荷的能力差,BV043/85[10]規(guī)定的螺紋連接抗沖擊設(shè)計原則中就有防止螺栓受橫向力和扭矩載荷的要求。因此,若提高螺栓連接結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能,應(yīng)盡量防止結(jié)合面分離。所以本文即規(guī)定沖擊載荷下,若螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)合面發(fā)生分離,則可能發(fā)生螺栓彎曲、甚至剪斷等問題,判定結(jié)構(gòu)失效。

    圖4 附加力F SA與螺紋連接結(jié)構(gòu)受力F A關(guān)系 Fig.4 Relationship between additional load F SAand F A

    2理論基礎(chǔ)

    圖5 簡化動力學(xué)模型 Fig.5 Simply dynamic model

    2.1載荷的施加及動力學(xué)方程

    (2)

    則可得柴油機的沖擊動力學(xué)方程為:

    -2 MA g( b 1 τ+ b 2)- K(1- α) U y

    (3)

    2.2方程的求解

    設(shè)受基礎(chǔ)沖擊的線性系統(tǒng)動力學(xué)方程為:

    (4)

    可得在u(t0)=u0,v0(t0)=v0條件下的通解[12]:

    (5)

    (6)

    令:

    (7)

    D(τ)=U(τ)/(Us)

    (8)

    (9)

    Us=MAg/K

    (10)

    (11)

    (12)

    式中:f為沖擊脈沖的無量綱量,η為拉力Fy的無量綱量。

    令:

    b3=2πf(b1τ0+b2)+(1-α)ηπf

    (13)

    b4=2πf

    (14)

    (15)

    (16)

    2.3螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)合面狀態(tài)分析

    參考文獻首先假設(shè)螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)合面未分離,則式(15)、式(16)中α=1。[13]中的方法分析,則可將沖擊輸入分為三階段:沖擊脈沖上升階段(階段一)、衰減階段(階段二)及自由振動階段(階段三),各階段參數(shù)值見表1。

    表1 各階段參數(shù)表

    則上升階段:

    (17)

    衰減階段:

    (18)

    (19)

    自由振動階段:

    D(τ)=D(1)cos2πf(τ-1)+

    V(1)sin2πf(τ-1)

    (20)

    分別對式(18)及式(20)求導(dǎo)并令等式為0,則可得脈沖衰減階段及自由振動時段的速度方向改變時刻,此時系統(tǒng)分別達到對應(yīng)時段的位移峰值響應(yīng),對結(jié)果化簡得:

    (21)

    (22)

    將上述結(jié)果分別代入式(18)及式(20),得出系統(tǒng)最大響應(yīng)峰值曲線Dm及自由振動階段的最大響應(yīng)峰值曲線Df。

    圖6 曲線圖 Fig.6 Curve graph of f and D

    圖6顯示了自變量為無量綱沖擊持續(xù)時間f的系統(tǒng)響應(yīng)的函數(shù)曲線。4條曲線分別表示系統(tǒng)最大沖擊響應(yīng)曲線Dm,自由振動最大響應(yīng)Df,由式(17)計算出的沖擊輸入峰值時的響應(yīng)D0.5,由式(18)計算出的沖擊輸入結(jié)束時刻的響應(yīng)D1。由圖5可知,當(dāng)模型中彈簧變形量達到Uy時,螺栓結(jié)合面開始分離,用式(8)將Uy無量綱化得Dy,由圖6可知,曲線Dm為其它幾條曲線的包絡(luò)線。顯然,當(dāng)Dy>Dm時,即如果(f,Dy)處于曲線Dm上方,則說明沖擊載荷下,螺栓的雙彈簧結(jié)構(gòu)的最大變形較小,結(jié)合面將不會分離。否則結(jié)合面將發(fā)生分離。而由式(8)、式(10)、式(12)可知Dy=η。因此只要比較η與Dm的大小即可判別螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)合面是否分離。當(dāng)然,柴油機工作時,可能還會承受力矩(如船舶搖晃引起的力矩),此時機腳螺栓所受載荷可能超出本文所規(guī)定的范圍。但實際上柴油機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模態(tài)豐富,采用單自由度系統(tǒng)代替實際的多自由度系統(tǒng),會使計算結(jié)果偏大,這就在一定程度上抵消了機腳螺栓所受載荷較大情況時的影響。

    3機腳螺栓連接沖擊響應(yīng)快速計算實例

    用上述理論考核前述機腳螺栓連接抗沖擊性能,由前述參數(shù)可得K=0.52×109N/m,T=0.004 35 s,現(xiàn)采用文獻 [8]所提供的沖擊輸入,即基礎(chǔ)受到加速度激勵峰值為1 568 m/s2,脈沖寬度為4.67 ms的三角波垂向沖擊輸入,連接的抗沖擊考核過程如下:

    取圖3中虛線部分則Qy=26 kN,可得:

    對應(yīng)圖6,可判斷此時點(f,η)落于曲線Dm曲線之下,因此可判斷在此沖擊載荷下,螺栓結(jié)合面將發(fā)生分離,螺栓連接結(jié)構(gòu)失效。這一結(jié)果與文獻[8]結(jié)論一致,圖7為通過非線性模型計算所得的螺栓雙彈簧模型的沖擊響應(yīng)曲線。在此沖擊載荷下等效螺栓連接模型的最大拉伸變形2.18 mm,最大壓縮變形1.24 mm。則機腳螺紋連接結(jié)構(gòu)最大拉力158 kN,最大壓力644 kN。其最大附加拉力為294 kN,最大附加壓力99 kN。根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何特性和動力學(xué)特性以及預(yù)緊力,可計算螺紋連接結(jié)構(gòu)的單邊分離臨界力:如果連接面不發(fā)生單邊分離,對螺栓的最大附加拉力為80 kN,最大附加壓力(釋放螺栓的預(yù)緊力)為72 kN,可見拉伸時,螺紋連接的受力大于接合面開始分離的臨界力,接合面發(fā)生了分離。

    圖7 非線性模型的沖擊響應(yīng) Fig.7 Shock response of nolinear model of rigidly-fixed engine

    4實驗驗證

    為檢驗本文方法,采用某型柴油機沖擊響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)進行驗證,沖擊首先作用于柴油機隔振器下方,通過隔振器與柴油機安裝支座傳給機腳。在柴油機輸出端機腳布置一個ICP式加速度計,測量柴油機機腳的垂向加速度。將所得響應(yīng)信號經(jīng)濾波后,分離出機腳螺栓處沖擊響應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為無阻尼的沖擊響應(yīng)加速度譜, 如圖 8中實線所示。其中,坐標(biāo)系為雙對數(shù)坐標(biāo)系,沖擊響應(yīng)加速度譜除以 A 進行無量綱化處理, A 為濾波后機腳振動加速度最大值。圖 8中虛線為等效三角波轉(zhuǎn)化而得的沖擊響應(yīng)譜。由圖8 比較可得,如以三角波作為輸入, 多數(shù)頻率下為過沖。 將此三角波作為沖擊輸入按上述方法校核機腳螺栓連接強度。結(jié)果顯示,(f,Dy)處于圖6曲線Dm上方,說明在本三角波輸入及本次沖擊實驗下,螺栓結(jié)合面沒有發(fā)生分離。所得結(jié)果與實驗結(jié)果一致。

    圖8 實測信號與等效三角波沖擊譜 Fig.8 Shock spectrum of measured signal and equivalent triangular wave

    5結(jié)論

    沖擊載荷下,機腳螺栓連接為柴油機等大型船舶設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)之一,由于機腳螺栓與船舶設(shè)備尺度上的差異,造成了其抗沖擊研究需付出較大的代價,而如果將螺栓連接簡化為雙彈簧模型,將螺紋連接與其上設(shè)備簡化為單自由度系統(tǒng),并利用螺紋連接結(jié)合面發(fā)生分離時柔度的變化規(guī)律,則可以利用本文的理論快速計算其沖擊響應(yīng)結(jié)果,校核螺紋連接沖擊安全性。由于避免了繁瑣的沖擊響應(yīng)及單邊分離臨界力的計算過程,這種方法省時、簡便可行,為螺栓連接的柔度設(shè)定,預(yù)緊力優(yōu)化及螺栓連接極限沖擊載荷的計算提供了一條便捷途徑。當(dāng)然,將螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)合面是否發(fā)生分離作為螺栓結(jié)構(gòu)失效的判據(jù),可能導(dǎo)致螺栓連接的安全裕度較大。本文提供的方法對沖擊載荷下機腳螺栓連接結(jié)構(gòu)強度的判斷具有一定的參考價值。

    參考文獻

    [1]姚熊亮,陳建平.水下爆炸二次脈沖壓力下艦船抗爆性能研究[J] .中國造船,2001,42(2):48-57.

    YAO Xiong-liang,CHEN Jian-pin. A study on anti-underwater-explosion performance of shipsubjected to gas bubble impulsive pressure[J]. Shipbuilding of China, 2001,42(2):48-57.

    [2]馮麟涵. 艦船系統(tǒng)抗沖擊性能全局優(yōu)化方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009.

    [3]計晨,汪玉,楊莉,等.水下爆炸載荷作用下艦用齒輪箱強度極限數(shù)值仿真研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報,2011,31(1):8-11.

    JI Chen, WANG Yu,YANG Li,et al. Numerical simulation study on intensitythreshold of marin gearbox subjected to underwater explosion load[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2011,31(1):8-11.

    [4]高浩鵬,黃映云,劉鵬. 引入傳遞矩陣法的復(fù)雜多體系統(tǒng)連接件建模方法研究[J].振動與沖擊,2012,31(16):52-55.

    GAO Hao-peng,HUANG Ying-yun,LIU Peng. Modeling of linkers in complex multibody system with transfer matrix method[J]. Journal of Vibration and Shock,2012,31(16):52-55.

    [5]陳學(xué)前,杜強,馮加權(quán). 動載荷下螺栓連接的優(yōu)化設(shè)計[J]. 力學(xué)與實踐,2005,27(6):32-35.

    CHEN Xue-qian, DU Qiang, FENG Jia-quan.The optimal design of bolt joints under dynamic loading[J]. Mechanics and Engineering,2005,27(6):32-35.

    [6]Duffey T A. Optimal bolt preload for dynamic loading[J]. International Journal of Mechanical Seciences, 1993,35(3/4):257-265.

    [7]VDI2230-2003高強度螺紋連接設(shè)計指南[S].VDI committee, 2003.

    [8]高洪濱. 柴油機螺紋連接結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)特性研究[D].武漢:海軍工程大學(xué),2010.

    [9]徐小剛.艦船抗爆抗沖擊若干問題研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2004.

    [10]BV0430/85,德國國防軍艦建造規(guī)范-沖擊安全性[S]. 科布倫茨:聯(lián)邦德國國防裝備技術(shù)和采購局,1987.

    [11]GJB1060.1-91,中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)-艦船環(huán)境條件要求機械環(huán)境[S].北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,1991.

    [12]Chopra,A.k. Dynamics of Structures[M].Prentice Hall,1995.

    [13]George Mylonakis. Yielding oscillator under triangular ground acceleration pulse[J]. Journal of Earthquake Engineering, 2001, 5(2):225-251.

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