振动工况下螺栓连接自松弛机理研究

摘　要：为研究振动工况下螺栓连接自松弛机理，利用ＡＮＳＹＳ参数化语言建立考虑螺纹的三维螺栓连接有限元
模型，用降温法

15933602135921.pdf

加载预紧力，进行螺栓连接横向振动瞬态分析；研究横向激励幅值、初始预紧力、螺纹啮合面、螺栓头及螺
母承压面以及连接物之间结合面的摩擦因数等对螺栓连接自松弛影响。结果表明，横向振动时完全滑移先发生于螺纹啮
合面处；横向激励幅值越小、初始预紧力越大、螺纹啮合面及螺栓头、螺母承压面摩擦因数越大，螺栓连接自松弛越不易发
生；激励幅值一定时连接物间结合面摩擦因数对自松弛无影响，但摩擦因数越大，发生横向振动所需剪切载荷越大。研究
结果对理解螺栓连接自松弛、指导防松设计具有重要意义。
关键词：螺栓连接；振动；瞬态分析；预紧力；摩擦因数
中图分类号：ＴＢ１２２；ＴＨ１２３　　　文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｖｓ．２０１４．２２．０３６
Ｓｅｌｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎ
ＷＡＮＧＷｅｉ，ＸＵＨａｏ，ＭＡＹｕｅ，ＬＩＵＨａｉｐｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｉｒａｎｄＭｉｓｓｉｌｅＤｅｆｅｎｓｅｏｆＡｉｒＦｏｒｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５１，Ｃｈｉｎａ）
　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｉｍｉｎｇａｔａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｅｌｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓ，ｔａｋｉｎｇｔｈｒｅａｄｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ，ｗａｓｂｕｉｌｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳ．Ａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅ
ｐｒｅｌｏａｄｏｎｔｈｅｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｄｒｏｐｐｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅＦＥｔｒａｎｓｉｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｎｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｃｙｃｌｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｃｙｃｌｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｌｏａｄ，ｔｈｒｅａｄ，
ｂｅａｒｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ，ａｎｄｊｏｉｎｔｓｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｎｓｅｌｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ
ｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｒｅａｄｓｌｉｐｏｃｃｕｒｓｐｒｉｏｒｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｂｅａｒｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓｌｉｐｕｎｄｅｒｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｓ，ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｌｏａｄｉｓ，ａｎｄｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅｔｈｒｅａｄａｎｄｂｅａｒｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｒｅ，
ｔｈｅｍｏｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｈｅｏｃｃｕｒａｎｃｅｏｆｓｅｌｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇｗｉｌｌｂｅ．Ｔｈｅｊｏｉｎｔｓｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｈａｓｌｉｔｔｌｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｔｏ
ｓｅｌｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｊｏｉｎｔｓｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍａｋｅｓｔｈｅｎｅｅｄｅｄｓｈｅａｒｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｕｃｅｓｔｈｅ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｌａｒｇｅｒ．Ｔｈｅｓｅａｒｅｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｆａｓｔｅｎｅｒｓｓｅｌｆｌｏｏｓｅｎｉｎｇａｎｄａｎｔｉ
ｌｏｏｓｅｎｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｐｒｅｌｏａｄ；ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
　　振动时螺栓连接因受外界循环剪切载荷作用发生
的自松弛仅次于疲劳失效［１］，导致泄漏、受力不均造成
疲劳断裂、降低整机动态性能等不良后果，甚至造成安
全事故。因此研究振动的螺栓连接自松弛具有重要
意义。
对螺栓连接自松弛及防松已有研究。Ｊｕｎｋｅｒ［２］设
计琼克尔试验机并研究螺栓连接在横向循环载荷作用
下的自松弛行为，发现此时螺栓连接更易发生自松弛。
Ｈｅｓｓ等［３］通过试验及有限元仿真研究横向剪切载荷作
用下螺栓连接自松弛，提出自松弛具有四阶段，即螺纹
啮合面及承压面部分滑移阶段、螺纹啮合面完全滑移
及承压面部分滑移阶段、螺纹啮合面部分滑移及承压
面完全滑移阶段、螺纹啮合面及承压面完全滑移阶段。
Ｎａｓｓａｒ等［４－６］用线性模型研究螺纹倾角、预紧力、孔隙
与螺纹配合、螺纹面与承压面摩擦因数等对螺栓连（接
横向振动自松弛影响。Ｎａｓｓａｒ等［１，７－１１］提出更精确的
解析模型解释螺栓连接自松弛现象，并进行实验研究，
校核解析模型。以上诸多研究的理论、实验模型均以
琼克尔试验机为基础，忽略连接物间结合面摩擦，与实
际不符。Ｊｉａｎｇ等［１２－１４］设计出新型自松弛实验装置，结
合有限元仿真研究螺栓连接自松弛，认为自松弛可分
两阶段，即因短暂、剧烈的螺纹牙材料塑性滞后效应所
致第一阶段松弛与因螺母回转引发夹紧力损失的第二
阶段松弛，并考虑连接物结合面摩擦因数，但有限元仿
真中未考虑螺纹螺旋效应，忽略螺母回转导致的螺栓
连接自松弛。王丹生等［１５］基于压电导纳对钢架结构进
行螺栓连接松弛检测实验研究。结果表明，该方法能
较好识别螺栓连接松弛，但未分析钢架结构螺栓连接
发生松弛原因。杨广雪等［１６］研究新型防松螺母防松机
理时用三维有限元方法研究附加弯矩、初始预紧力及
防松螺母对横向循环载荷作用下螺栓连接松弛影响。
本文在以上研究基础上建立螺栓连接三维有限元
模型，用降温法对螺栓施加预紧力进行横向振动瞬态
仿真，研究激励幅值、初始预紧力、螺纹啮合面与承压
面摩擦因数、结合面摩擦因数等对螺栓连接自松弛影
响规律。
１　螺栓连接自松弛仿真方法研究
１１　螺栓连接参数化有限元建模
用有限元方法研究螺栓连接在横向振动条件下因
螺母回转导致的自松弛。有限元模型须考虑螺纹的螺
旋效应，即建立带螺纹的三维螺栓连接有限元模型。
用ＡＮＳＹＳ参数化语言编程建立螺栓连接有限元模型，
见图１（ａ）。其中，螺栓由螺杆、螺纹组成，通过体粘接
命令ＶＧＬＵＥ粘接为一体后划分网格获得；螺母建模与
螺栓相似，螺栓、螺母有限元模型见图１（ｂ）。模型几
何尺寸为：螺栓公称直径Ｄ＝１２ｍｍ，螺栓头直径Ｄ１＝
１６．６ｍｍ，螺栓头高ＫＷ ＝７．５ｍｍ，螺母高Ｈ＝１３ｍｍ，螺
距ｐ＝１．７５ｍｍ，螺栓长Ｌ＝６４ｍｍ，连接板８０ｍｍ×８０
ｍｍ×２０ｍｍ（两板尺寸相同），孔隙δ′／２＝０．５ｍｍ，螺
纹轮廓角６０°。螺栓材料选高强度钢，弹性模量Ｅ１ ＝
２１０ＧＰａ，泊松比υ１＝０．３，密度ρ１＝７．９×１０３ｋｇ／ｍ３，屈
服极限６４０ＭＰａ；连接板材料选Ｑ２３５钢，弹性模量Ｅ２
＝２１０ＧＰａ，泊松比υ２＝０．３，密度ρ２＝７．９×１０３ｋｇ／ｍ３，
屈服极限２３５ＭＰａ。
图１　螺栓连接三维有限元模型
Ｆｉｇ．１ＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓ
１２　接触对建立及约束施加
１．２．１　接触对建立
本文研究考虑各接触面间滑移，故用ＴＡＲＧＥ１７０
作为目标单元、能模拟滑移的ＣＯＮＴＡ１７３作为接触单
元在螺纹啮合面、螺栓头承压面、螺母承压面及连接物
结合面建立接触对，并定义接触单元关键字
ＫＥＹＯＰＴ（２）＝０选增广拉格朗日算法为接触算法，定义
关键字ＫＥＹＯＰＴ（５）＝１实现自动闭合间隙。在建立接
触对同时用定义材料摩擦因数方法定义螺纹啮合面、
螺栓头承压面、螺母承压面及连接物结合面的摩擦因
数分别为μ１，μ２，μ３。各结合面摩擦因数取值见文献
［６，１７］，具体为石蜡润滑（０．０５）、ＭｏＳ２油脂润滑
（０．１）、机械润滑油润滑（０．１７）及干摩擦（０．２）。
１．２．２　约束施加
对诸如机床等固定电动机处螺栓连接受循环载荷
作用导致某连接物沿单一方向运动的实际工程，将模
型中上板固定，使下板具有某一方向自由度。因此，对
上板上表面所有节点全约束，上板与坐标面ＸＯＺ平行
的两表面所有节点进行Ｙ向位移约束，上板与坐标面
ＹＯＺ平行的两表面所有节点进行Ｘ向位移约束；下板
与坐标面ＸＯＺ平行的两表面所有节点进行Ｙ向位移约
束。
１．３　螺栓连接预紧
考虑预紧力单元不能承受剪切载荷，无法在横向
振动瞬态分析中应用［１８］，因此采用降温法施加螺栓连
接预紧力。降温法通过设置螺栓材料的热膨胀系数降
低螺栓预紧部分温度，使螺栓收缩，但连接物已约束螺
栓变形使螺栓内部产生拉力，达到模拟螺栓预紧力作
用，可有效模拟螺栓连接的受力情况。施加预紧力所
需温度差为
Δｔ＝ Ｆ
αｌ
１
Ｃｂ
＋ １
( Ｃ) ｍ
（１）
式中：Ｆ为预紧力大小；α为螺栓材料热膨胀系数；ｌ为
螺栓预紧部分长度；Ｃｂ为螺栓刚度；Ｃｍ 为连接物刚度。
利用静态求解器，用ＴＲＥＦ命令设置基准温度、用
ＢＦＶ命令按式（１）对螺栓施加温度载荷进行预紧力施
加。求解后进入后处理器，选螺母螺纹单元模型，查看等
效应力云图，见图２。由图２看出，啮合螺纹第一圈应力
最大，其后各圈应力依次递减，符合螺栓连接应力分布。
图２　预紧后螺母螺纹应力云图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍ
ｏｆｎｕｔｔｈｒｅａｄａｆｔｅｒｐｒｅｌｏａｄｅｄ
第２２期　　　　　　　　　　　　　王崴等：振动工况下螺栓连接自松弛机理研究 １９９
１．４　螺栓连接横向振动瞬态分析
进行螺栓连接自松弛有限元分析，对螺栓连接预
紧后需施加横向激励δｘ进行瞬态分析。δｘ计算式为
δｘ ＝δ０ｓｉｎ（ωｔ） （２）
式中：δ０≤δ′／２为激励幅值；ω为角频率。
利用图１螺栓连接有限元模型，设置各结合面摩
擦因数为μ１＝μ２＝μ３＝０．１，施加预紧力Ｆ＝１０７３０Ｎ
进行静态分析。求解后进入瞬态分析求解器，对下板
与坐标面ＹＯＺ平行侧表面所有节点施加Ｘ向位移载荷
δｘ＝０．２ｓｉｎ（３６００ｔ），时间步长ｔ＝０．０１２５ｓ，进行完全
瞬态分析，在ｔ＝０．３２５ｓ时结束仿真。
２　螺栓连接自松弛机理分析
２１　螺栓连接自松弛过程分析
仿真结束后提取用于施加位移载荷所有节点Ｘ向
合力为剪力，绘制剪切载荷随板横向位移变化曲线亦
称剪切载荷滞回曲线，见图３。图中纵坐标跨度大小可
衡量螺栓连接剪切刚度，跨度越大，剪切刚度越大。
图３　剪切载荷与下板横向位移间关系
Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅａｒｉｎｇｌｏａｄ
ａｎｄｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
图４为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点螺纹啮合面、螺母承压面的接
触状态。由图４看出，Ａ、Ｃ点螺纹啮合面发生完全滑移，
螺母承压面发生部分滑移，滑移位置恰好对应，可使螺
母承压面在一个循环内实现滑移；Ｂ、Ｄ点亦发生部分
滑移；说明在激励幅值处滑移最严重，螺纹啮合面完全
滑移先于螺母承压面，即螺栓连接的松弛最先发生在
螺纹啮合面。Ａ、Ｃ点承压面部分滑移位置呈对称性，
可实现一个循环内的螺母滑移。
图４　螺纹啮合面及螺母承压面接触状态
Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｒｅａｄａｎｄｎｕｔｂｅａｒｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ
提取上板下表面所有节点Ｚ向合力为残余预紧
力，其随时间变化曲线见图５。由图５可知，一个周期
内预紧力下降量较小。结合图４知，局部滑移能造成
螺栓连接松弛。
２２　振动幅值对自松弛影响
为考察横向振动幅值对螺栓连接自松弛影响，仿
真中仅修改参数δ０为０．０２、０．１、０．２、０．３、０．４，进行不
同幅值对比实验。横向振动幅值不同时螺栓连接预紧
力变化见图６。由图６看出，幅值为０．０２、０．１时预紧力
变化曲线几乎与坐标轴平行，此时预紧力损失较小可忽
略；幅值为０．２、０．３、０．４时预紧力损失明显，表明螺栓连
接并非仅受横向振动影响发生自松弛，而在横向振动幅
值达到一定值后才发生自松弛。对比幅值０．２、０．３、０．４
时残余预紧力变化知，横向振动幅值越大预紧力损失越
快。横向振动幅值不同时剪切载荷滞回曲线见图７。由
图７看出，振幅越大所需剪切载荷越大。
图５　残余预紧力随时间变化曲线
Ｆｉｇ．５Ｒｅｓｉｄｕｅ
ｐｒｅｌｏａｄＶＳｔｉｍｅ
图６　振幅不同时残余预紧力变化曲线
Ｆｉｇ．６ＲｅｓｉｄｕｅｐｒｅｌｏａｄＶＳｔｉｍｅ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ
图７　振幅不同时剪切载荷滞回曲线
Ｆｉｇ．７Ｓｈｅａｒｉｎｇｌｏａｄｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ
ｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ
２．３　初始预紧力大小对自松弛影响
为考察初始预紧力大小对螺栓连接自松弛影响，
仿真中仅在静态分析时进行不同大小预紧，设初始预
紧力分别为３ｋＮ、１０．７３ｋＮ、２１．３２ｋＮ、２９．９３ｋＮ进行
不同初始预紧力对比仿真。初始预紧力不同时损失预
紧力百分比变化曲线见图８。由图８看出，初始预紧力
越大横向振动时螺栓连接预紧力损失百分比越小，越
不易发生自松弛。初始预紧力不同时剪切载荷滞回曲
２００ 振 动 与 冲 击　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年第３３卷
线见图９。由图９可知，初始预紧力越大剪切载荷滞回
曲线纵坐标跨度越大，达到一定振幅所需剪切载荷越
大，说明螺栓连接预紧力越大横向刚度越大，越不易发
生自松弛。
图８　不同初始预紧力
时损失百分比变化曲线
Ｆｉｇ．８Ｃｕｒｖｅｓｏｆｌｏｓｉｎｇｐｒｅｌｏａｄ
ｐｅｒｃｅｎｔｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｌｏａｄｓ
图９　不同初始预紧力时
剪切载荷滞回曲线
Ｆｉｇ．９Ｓｈｅａｒｉｎｇｌｏａｄｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｃｕｒｖｅｓ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｌｏａｄｓ
图１０　不同μ１时残余预紧力
变化曲线
Ｆｉｇ．１０ＲｅｓｉｄｕｅｐｒｅｌｏａｄＶＳｔｉｍｅ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔμ１
２．４　摩擦因数对自松弛影响
２．４．１　摩擦因数μ１对螺栓连接自松弛影响
为考察螺纹啮合面摩擦因数对螺栓连接自松弛影
响，仅修改参数μ１为０．０５、０．１、０．１７、０．２进行不同螺
纹啮合面摩擦因数的对比仿真。不同螺纹啮合面摩擦
因数时残余预紧力随时间变化曲线见图１０。由图１０
看出，μ１为０．１７、０．２时预紧力下降速度不明显，但μ１
为０．０５、０．１时预紧力下降速度非常明显，螺纹啮合面
摩擦因数越大摩擦力越大，螺栓连接越难发生自松弛。
不同螺纹啮合面摩擦因数时剪切载荷滞回曲线见图
１１。由图１１看出，μ１越大剪切载荷亦越大，但差距不
明显，说明螺纹摩擦因数对螺栓连接的横向刚度影响
较小。
２．４．２　摩擦因数μ２对螺栓连接自松弛影响
为考察螺头承压面和螺母承压面摩擦因数μ２ 对
螺栓连接自松弛的影响，仅修改参数μ２ 为０．０５、０．１、
０．１７、０．２进行不同摩擦因数μ２ 的对比仿真。不同摩
擦因数μ２时残余预紧力变化曲线见图１２。由图１２看
出，μ２为０．１、０．１７、０．２时μ２越小预紧力损失越大；μ２
为０．０５时预紧力变化却不符合该规律。与其他仿真
结果相悖，但并不能说明模型或求解出错，而因本文有
限元仿真中螺栓头、螺母自由度均未限制，不同于其他
仿真。不限制螺栓头或螺母自由度、承压面摩擦因数
非常小时，下板横向运动所致相对滑移非常小，故螺栓
连接自松弛速度非常小。不同摩擦因数μ２ 的剪切载
荷滞回曲线见图１３。由图１３看出，摩擦因数μ２、μ１均
对螺栓连接横向刚度影响较小。
２．４．３　摩擦因数μ３对螺栓连接自松弛影响
修改参数μ２为０．０５、０．１、０．１７、０．２进行不同摩擦
因数μ３的对比仿真。不同摩擦因数μ３的残余预紧力
变化曲线见图１４。由图１４看出，不同的μ３对应预紧
力变化大致相同，即横向振幅一定时μ３对螺栓连接自
松弛影响较小。不同摩擦因数μ３ 的横向剪切载荷滞
回曲线见图１５。由图１５可知，μ３越大剪切载荷滞回曲
线纵坐标跨度越大。说明结合面摩擦因数越大螺栓连
接横向刚度越大，螺栓连接越不易发生自松弛。
图１１　不同μ１时剪切载荷滞回曲线
Ｆｉｇ．１１Ｓｈｅａｒｉｎｇｌｏａｄｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｃｕｒｖｅｓ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔμ１
图１２　不同μ２时残余预紧力变化曲线
Ｆｉｇ．１２Ｒｅｓｉｄｕｅｐｒｅｌｏａｄｖｓ．
ｔｉｍｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔμ２
图１３　不同μ２时剪切载荷滞回曲线
Ｆｉｇ．１３Ｓｈｅａｒｉｎｇｌｏａｄｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ
ｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔμ２
第２２期　　　　　　　　　　　　　王崴等：振动工况下螺栓连接自松弛机理研究 ２０１
图１４　不同μ３时残余预紧力变化曲线
Ｆｉｇ．１４Ｒｅｓｉｄｕｅｐｒｅｌｏａｄｖｓ．ｔｉｍｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔμ３
图１５　不同μ３时剪切载荷滞回曲线
Ｆｉｇ．１５Ｓｈｅａｒｉｎｇｌｏａｄｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ
ｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔμ３
３　结　论
本文用有限元方法对受横向振动的螺栓连接自松
弛进行仿真，重点研究横向振幅、初始预紧力、螺纹啮
合面摩擦因数、螺栓头与螺母承压面摩擦因数及连接
物结合面摩擦因数对螺栓连接自松弛影响，结果如下：
（１）螺纹啮合面或承压面局部滑移可导致预紧力
损失，螺纹啮合面完全滑移先于承压面。
（２）振幅越大螺栓连接越易发生自松弛；初始预
紧力越大其损失百分比越小，螺栓连接越不易发生自
松弛；螺纹啮合面及承压面摩擦因数越大螺栓连接越
不易发生自松弛；连接物结合面摩擦因数对相同振幅
的自松弛影响不大，对螺栓连接横向刚度影响较大。
（３）螺栓连接防松设计时应优先考虑改变螺纹啮
合面摩擦状态及承压面摩擦状态；在不影响螺栓连接
强度情况下应尽量施加最大初始预紧力；在不影响螺
栓连接压力分布及连接密封等性能影响前提下应尽量
增大连接结合面摩擦。
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