复合材料/金属螺纹连接系统预紧力衰减数值建模及试验研究

doi:10.16731/j.cnki.1671-3133.2025.09.013

现代制造工程 ›› 2025, Vol. 540 ›› Issue (9): 99-104.doi: 10.16731/j.cnki.1671-3133.2025.09.013

• CAD/CAE/CAPP/CAM • 上一篇下一篇

复合材料/金属螺纹连接系统预紧力衰减数值建模及试验研究

殷小健^1,2, 李旭健^1,2, 陶兴伟^1,2, 王文超^1,2, 李皓³, 刘畅⁴

1 河南航天精工制造有限公司,信阳 464000;
2 河南省紧固连接技术重点实验室,信阳 464000;
3 天津大学机械工程学院,天津 300354;
4 天津工业大学机械工程学院,天津 300387

收稿日期:2025-01-10 出版日期:2025-09-18 发布日期:2025-09-23
通讯作者: 刘畅,副教授,主要从事高端紧固件制造理论与方法的研究。E-mail:liuchang@tiangong.edu.cn。
作者简介:殷小健,研究员,主要从事锻压技术与工艺设备的研究。E-mail:gaoxuemin694@126.com。
基金资助:
天津市科技计划项目(22YDTPJC00110)

Numerical modeling and experimental study of preload degradation in composite/metal threaded joint systems

YIN Xiaojian^1,2, LI Xujian^1,2, TAO Xingwei^1,2, WANG Wenchao^1,2, LI Hao³, LIU Chang⁴

1 Henan Aerospace Precision Manufacturing Co.,Ltd.,Xinyang 464000,China;
2 Henan Provincial Key Laboratory of Fastening and Connecting Technology,Xinyang 464000,China;
3 School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300354,China;
4 School of Mechanical Engineering,Tiangong University,Tianjin 300387,China

Received:2025-01-10 Online:2025-09-18 Published:2025-09-23

摘要/Abstract

摘要： 分别以CFRP复合材料与铝合金螺栓连接结构作为研究对象,深入分析不同被连接件材料对预紧力衰减所产生的影响。基于ABAQUS/Standard软件,构建了真实螺纹螺栓节点的参数化有限元模型,用以剖析不同因素对预紧力衰减的作用。随着被连接件厚度的增加,预紧力的衰减程度逐渐降低。应力主要集中于螺纹部位,并且被连接件厚度的增加减缓了应力的衰减。在静载工况下,当被连接件厚度分别为4.0、4.5和5.0 mm时,经过 200 h后,预紧力分别衰减了6 538、5 542和5 437 N。

关键词: 螺栓连接, 预紧力衰减, CFRP复合材料, 铝合金

Abstract: CFRP composite materials and aluminum alloy bolted structures were taken as the research objects to analyze the effects of different materials of the connected parts on the preload degradation.Based on ABAQUS/Standard software,a parametric finite element model of a real threaded bolt node was constructed to analyze the effects of different factors on the preload degradation. As the thickness of the connected parts increases,the degree of preload degradation decreases gradually. The stresses are mainly concentrated in the threaded part,and the increase in the thickness of the connected part slows down the stress degradation. Under static loading condition,the preload decayed by 6 538,5 542 and 5 437 N after 200 hours for 4.0,4.5 and 5.0 mm thicknesses of the connected parts,respectively.

Key words: bolt connection, preload degradation, CFRP composite materials, aluminum alloy

中图分类号:

V215.1

殷小健, 李旭健, 陶兴伟, 王文超, 李皓, 刘畅. 复合材料/金属螺纹连接系统预紧力衰减数值建模及试验研究[J]. 现代制造工程, 2025, 540(9): 99-104.

YIN Xiaojian, LI Xujian, TAO Xingwei, WANG Wenchao, LI Hao, LIU Chang. Numerical modeling and experimental study of preload degradation in composite/metal threaded joint systems[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2025, 540(9): 99-104.

参考文献

[1] 黄华,王永和,魏泰,等.摩擦和常温蠕变对风电螺栓预紧力松弛的敏感性分析[J].太阳能学报,2023,44(1):8.
[2] 李小强,孟庆阔,杜一凡,等.拧紧策略对航空发动机单螺栓连接预紧力的影响[J].机械工程学报,2020,56(13):11.
[3] 罗忠,石宝龙,张小霞,等.拧紧工艺的螺栓连接结构预紧力变化规律[J].东北大学学报(自然科学版),2023,44(2):215-222.
[4] GONG H,LIU J,FENG H.Review on anti-loosening methods for threaded fasteners[J].Chinese Journal of Aeronautics,2022,35(2):15.
[5] LIU Z,WANG B,LI Y,et al.Analysis of self-loosening behavior of high strength bolts based on accurate thread modeling[J].Engineering Failure Analysis,2021,127:105541.
[6] 陈敏章,唐继舜,陈远久.预紧力衰减对摩擦型高强螺栓群承载力的影响[J].四川建筑,2020,40(1):4.
[7] MIR A A.Kinetics of preload-relaxation behaviour of threaded fasteners in a zinc-rich alloy sand casting[J].Journal of Alloys & Compounds,2006,414(1/2):118-122.
[8] CACCESE V,BERUBE K A,FERNANDEZ M,et al.Influence of stress relaxation on clamp-up force in hybrid composite-to-metal bolted joints[J].Composite Structures,2009,89(2):285-293.
[9] 黄路,左昊,彭宁,等.单颗螺栓预紧力损失影响因素[J].计算机辅助工程,2023,32(1):5-10.
[10] 王欣,杨敏,唐锋,等.工程车辆车轮螺栓预紧力衰减研究[J].起重运输机械,2023(2):74-78.
[11] 李勇,阳雪兵,吴威,等.基于超张拉伸的高强度螺栓预紧力控制方法[J].价值工程,2022(20):41.
[12] 赵振龙.发动机飞轮螺栓预紧力衰减原因分析和改进[J].柴油机,2022,44(4):35-39.
[13] 吕佳欣,肖毅.复合材料螺栓连接预紧力松弛的改进预测模型[J].工程力学,2018,35(10):9.
[14] 洪绍正,孔正义.高强螺栓预紧力损失的试验研究[C]// 2020第七届海洋材料与腐蚀防护大会暨2020第一届钢筋混凝土耐久性与设施服役安全大会.无锡:中国腐蚀与防护学会,2020:7-10.
[15] 张振,肖毅,刘彦清,等.基于振动疲劳试验的复合材料螺栓连接预紧力松弛特性[J].复合材料学报,2016,33(1):11.
[16] SUN P,SUN Y,SUN W,et al.Analysis of short-term relaxation effects under non-parallel contact[J].International Journal of Smart Engineering,2018,2(4):312-324.
[17] HOU B,SUN Y,SUN W,et al.The properties of bolted joint assembly with contact stiffness[J].International Journal of Smart Engineering,2018,2(4):325-342.
[18] 谢元洪,肖毅,吕佳欣,等.材料和接触蠕变引起的螺栓连接松弛行为:弹-粘塑性分析方法[C]//中国力学大会论文集.杭州:中国力学学会,2019:8.

复合材料/金属螺纹连接系统预紧力衰减数值建模及试验研究

Numerical modeling and experimental study of preload degradation in composite/metal threaded joint systems

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	胡凤宝, 戴士杰, 季文彬, 刘淑媛. 基于MRAC+PID算法的机器人打磨力跟踪控制研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 523(4): 57-65.
[2]	金鹏;高杰;林子怡;杨清芸;刘培;姜凯;朱浩;苗健. 超音速火焰喷涂制备铝基复合制动盘工艺及力学性能研究[J]. 现代制造工程, 2023, 514(7): 112-116.
[3]	邓钢;赵庆华;祁光威;胡祥涛;马力. 基于YOLOv5的铝合金型材表面缺陷检测方法研究[J]. 现代制造工程, 2023, 518(11): 120-128.
[4]	周慧琳，于汇泳，赵向阳. 铝合金材料切削用织构刀具性能研究[J]. 现代制造工程, 2022, 501(6): 85-89.
[5]	王珏，. 弱刚性薄壁件制孔工艺的对比研究[J]. 现代制造工程, 2022, 500(5): 94-99.
[6]	刘光辉，伍川，吕中宾，杨晓辉，叶中飞. 输电铁塔螺栓紧固特性影响因素试验研究[J]. 现代制造工程, 2022, 498(3): 84-91.
[7]	张燕琴，刘强，刘方方. 铝合金榫卯节点特征参数对疲劳性能的影响研究[J]. 现代制造工程, 2022, 507(12): 63-68.
[8]	孙家豪，齐振超，陈文亮. 制孔偏差对铝合金单钉双剪连接性能的影响[J]. 现代制造工程, 2022, 506(11): 97-102.
[9]	陈欣瑞，周洋，赵屹涛，闫宪峰. 基于改进YOLOv5的移动端螺栓缺失检测方法[J]. 现代制造工程, 2022, 506(11): 108-114.
[10]	王锋;秦剑波;梁振武;赵李韬;侯成;范学领. 飞机铝合金壁板结构广布疲劳多裂纹扩展与剩余强度研究[J]. 现代制造工程, 2022, 505(10): 87-95.
[11]	赵钰涣，龙芋宏，徐榕蔚，单晨，张振杰，蓝高强. 7075铝合金选区激光熔化研究现状[J]. 现代制造工程, 2021, 492(9): 146-151.
[12]	王品健，谢晖，王杭燕. 某乘用车前部悬架控制臂轻量化设计[J]. 现代制造工程, 2020, 479(8): 47-52.
[13]	刘宏杰，曾超，隋鹏超，刘伦伦，程市. 基于Python语言的发动机螺栓连接滑移分析和设计改进[J]. 现代制造工程, 2020, 479(8): 67-71.
[14]	贾颖莲，何世松. 异种材质自冲铆接接头成形质量研究[J]. 现代制造工程, 2020, 478(7): 66-71.
[15]	刘昊，赵军，宋世平，于浩. J-C本构模型参数对ZL109硅铝合金切削仿真的影响规律[J]. 现代制造工程, 2020, 475(4): 108-112.