一种螺栓拉弯耦合等效试验方法
【专利摘要】本发明涉及一种螺栓拉弯耦合等效试验方法，通过有限元软件对螺栓连接件进行仿真分析，并利用有限元软件建立附加弯矩试验工装模型，通过调整施加载荷参数与结构尺寸，准确模拟真实的螺栓连接件中螺栓的受力状态，通过拉弯耦合等效试验判断螺栓连接件是否满足设计要求，从而解决了目前连接螺栓局部试验时螺栓的受力状态无法模拟整体结构在轴弯剪载荷作用下的局部连接螺栓真实受力状态的难题，实现了真实大型螺栓连接结构中螺栓强度的试验考核，为真实大型螺栓连接结构提供了可靠保证。
【专利说明】一种螺栓拉弯耦合等效试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种螺栓拉弯耦合等效试验方法，属于弹箭体结构的连接螺栓局部强 度试验设计【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 螺栓广泛应用于火箭、导弹的部段及零件连接结构中，一般情况下螺栓受力状态 为轴力、弯矩联合作用的复杂受力状态，尤其是在采用螺栓连接的点式分离装置中，螺栓的 局部弯矩很大，难以通过设计师手册中的单向受力极限载荷确定其在实际结构中拉弯耦合 作用下的承载能力，需要进行试验验证其是否满足承载能力要求。另外，根据已有型号经 验，当对连接螺栓局部结构截取出来进行局部试验时，螺栓的受力状态与整体结构在轴弯 剪载荷作用下的局部连接螺栓真实受力状态具有一定的差距，需要设计一种简单、通用的 试验手段来考核螺栓在拉弯耦合作用下的承载能力。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种螺栓拉弯耦合等效试验方 法，该方法实现了真实大型螺栓连接结构中螺栓强度的低成本试验考核，为真实大型螺栓 连接结构提供了可靠保证。
[0004] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
[0005] -种螺栓拉弯耦合等效试验方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤（一）、通过有限元软件对螺栓连接件进行仿真分析，得到连接螺栓截面轴拉 数据和连接螺栓截面弯矩数据，并以连接螺栓截面轴拉为横坐标，连接螺栓截面弯矩为纵 坐标，绘制曲线1 ;
[0007] 步骤（二）、根据所述螺栓连接件中的上螺栓盒、下螺栓盒和连接螺栓的结构尺 寸，利用有限元软件建立附加弯矩试验工装模型，所述附加弯矩试验工装模型包括上螺栓 盒、下螺栓盒、垫块和螺栓，其中上螺栓盒与下螺栓盒通过螺栓连接，垫块位于上螺栓盒与 下螺栓盒之间，并位于螺栓的一侧；
[0008] 步骤（三）、利用有限元软件计算所述附加弯矩试验工装模型在施加轴拉载荷Fs 下的连接螺栓截面轴拉数据和连接螺栓截面弯矩数据，并以连接螺栓截面轴拉为横坐标， 连接螺栓截面弯矩为纵坐标，绘制曲线2，，将曲线2与步骤（一）中得到的曲线1进行对 比，
[0009] 若两条曲线峰值点、结束点的数据误差均彡5%，则进入步骤（四）；若两条曲线 峰值点数据误差彡5%、结束点的数据误差> 5%，则对施加的轴拉载荷匕进行调整，返回 步骤（三）；若两条曲线峰值点数据误差>5%、结束点的数据误差彡5%，则利用有限元软 件对所述附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒、下螺栓盒和垫块的尺寸进行修改，返回步骤 (三）；若两条曲线峰值点、结束点的数据误差均> 5%，则对施加的轴拉载荷Fs进行调整， 同时利用有限元软件对所述附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒、下螺栓盒和垫块的结构尺 寸进行修改，返回步骤（三）；
[0010] 步骤（四）、根据步骤（三）确定的附加弯矩试验工装模型制备附加弯矩试验工 装，进行拉弯耦合等效试验，得到连接螺栓的极限承载能力参数，即连接螺栓拉断时对应的 载荷F ;将载荷F与步骤（三）中最终确定的轴拉载荷Fs进行对比，若F > Fs，则步骤（一） 中螺栓连接件满足设计要求，否则，步骤（一）中螺栓连接件不满足设计要求。
[0011] 在上述螺栓拉弯耦合等效试验方法中，步骤（二）中建立的附加弯矩试验工装模 型中的上螺栓盒包括底板、背板和两个侧板，下螺栓盒包括顶板、背板和两个侧板，垫块为 立方体结构，垫块安装位置避开螺栓。
[0012] 在上述螺栓拉弯耦合等效试验方法中，步骤（二）中建立的附加弯矩试验工装模 型中的上螺栓盒的底板厚度、下螺栓盒的顶板厚度和垫块厚度的总和等于步骤（一）中螺 栓连接件中的上螺栓盒底板厚度与下螺栓盒顶板厚度之和。
[0013] 在上述螺栓拉弯耦合等效试验方法中，步骤（三）中对附加弯矩试验工装模型的 上螺栓盒、下螺栓盒和垫块的尺寸进行修改，即对上螺栓盒的底板、侧板厚度，下螺栓盒的 顶板、侧板厚度和垫块厚度进行调整，同时需要满足附加弯矩试验工装模型中的上螺栓盒 的底板厚度、下螺栓盒的顶板厚度和垫块厚度的总和等于步骤（一）中螺栓连接件中的上 螺栓盒底板厚度与下螺栓盒顶板厚度之和。
[0014] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0015] (1)、本发明通过有限元软件对螺栓连接件进行仿真分析，并利用有限元软件建立 附加弯矩试验工装模型，通过调整施加载荷参数与结构尺寸，准确模拟真实的螺栓连接件 中螺栓的受力状态，通过拉弯耦合等效试验判断螺栓连接件是否满足设计要求，从而解决 了目前连接螺栓局部试验时螺栓的受力状态无法模拟整体结构在轴弯剪载荷作用下的局 部连接螺栓真实受力状态的难题，实现了真实大型螺栓连接结构中螺栓强度的试验考核， 为真实大型螺栓连接结构提供了可靠保证；
[0016] (2)、本发明采用附加弯矩试验工装模型模拟真实的螺栓连接件中螺栓的受力状 态，试验工装除包括上、下螺栓盒外，还增加了垫块，从而增加了试验设计过程中的可调参 数，提高了螺栓受力状态模拟的准确性；
[0017] (3)、本发明通过有限元软件设计附加弯矩试验工装模型，并制备局部试验工装， 进行拉弯耦合等效试验，大大降低了试验成本，提高了效益，具有较强的实用性；
[0018] 本发明已在多个运载火箭型号的连接螺栓局部强度试验中得到应用，取得了很好 的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明附加弯矩试验工装模型立体图；
[0020] 图2为本发明附加弯矩试验工装剖面图（正视图和侧剖图）；
[0021] 图3为本发明中曲线1与曲线2对比图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：
[0023] 本发明螺栓拉弯耦合等效试验方法，具体包括如下步骤：
[0024] 步骤（一）、通过有限元软件对真实螺栓连接件进行仿真分析，得到连接螺栓截面 轴拉数据和连接螺栓截面弯矩数据，并以连接螺栓截面轴拉为横坐标，连接螺栓截面弯矩 为纵坐标，绘制曲线1，如图3所示为本发明中曲线1与曲线2对比图。
[0025] 步骤（二）、根据真实螺栓连接件中的上螺栓盒、下螺栓盒和螺栓的结构尺寸，利 用有限元软件建立附加弯矩试验工装模型。如图1所示为本发明附加弯矩试验工装模型立 体图，图2所示为本发明附加弯矩试验工装剖面图（正视图和侧剖图）；建立的附加弯矩试 验工装模型中的上螺栓盒1的底板厚度、下螺栓盒2的顶板厚度和垫块3厚度的总和等于 真实螺栓连接件中的上螺栓盒底板厚度与下螺栓盒顶板厚度之和。
[0026] 如图1、2所示，附加弯矩试验工装模型包括上螺栓盒1、下螺栓盒2、垫块3和螺栓 4,其中上螺栓盒1与下螺栓盒2通过螺栓4连接，垫块3位于上螺栓盒1与下螺栓盒2之 间，并位于螺栓4的一侧（螺栓4未穿过垫块3)。建立的附加弯矩试验工装模型中的上螺 栓盒1包括底板、背板和两个侧板，下螺栓盒2包括顶板、背板和两个侧板，垫块3为立方体 结构，安装位置避开螺栓4。
[0027] 步骤（三）、利用有限元软件计算附加弯矩试验工装模型在施加轴拉载荷Fs下的 连接螺栓截面轴拉数据和连接螺栓截面弯矩数据，并以连接螺栓截面轴拉为横坐标，连接 螺栓截面弯矩为纵坐标，绘制曲线2。
[0028] 并将曲线2与曲线1进行对比，如图3所示，若两条曲线峰值点、结束点的数据误 差均彡5%，则进入步骤（四）；若两条曲线峰值点数据误差彡5%、结束点的数据误差> 5%，则对施加的轴拉载荷匕进行调整，返回步骤（三）；若两条曲线峰值点数据误差>5%、 结束点的数据误差< 5%，则利用有限元软件对所述附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒1、 下螺栓盒2和垫块3的尺寸进行修改，返回步骤（三）；若两条曲线峰值点、结束点的数据 误差均> 5%，则对施加的轴拉载荷匕进行调整，同时利用有限元软件对所述附加弯矩试验 工装模型的上螺栓盒1、下螺栓盒2和垫块3的结构尺寸进行修改，返回步骤（三）。
[0029] 该步骤中对附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒1、下螺栓盒2和垫块3的尺寸进行 修改，即对上螺栓盒1的底板、侧板厚度，下螺栓盒2的顶板、侧板厚度和垫块3的厚度进行 调整，同时需要满足如下关系：
[0030] 附加弯矩试验工装模型中的上螺栓盒1的底板厚度+下螺栓盒2的顶板厚度+垫 块3的厚度=真实螺栓连接件中的上螺栓盒底板厚度+下螺栓盒顶板厚度。
【权利要求】
1. 一种螺栓拉弯耦合等效试验方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤（一）、通过有限元软件对螺栓连接件进行仿真分析，得到连接螺栓截面轴拉数据 和连接螺栓截面弯矩数据，并以连接螺栓截面轴拉为横坐标，连接螺栓截面弯矩为纵坐标， 绘制曲线1 ; 步骤（二）、根据所述螺栓连接件中的上螺栓盒、下螺栓盒和连接螺栓的结构尺寸，利 用有限元软件建立附加弯矩试验工装模型，所述附加弯矩试验工装模型包括上螺栓盒（1)、 下螺栓盒（2)、垫块（3)和螺栓（4)，其中上螺栓盒（1)与下螺栓盒（2)通过螺栓（4)连接， 垫块（3)位于上螺栓盒（1)与下螺栓盒（2)之间，并位于螺栓（4)的一侧； 步骤（三）、利用有限元软件计算所述附加弯矩试验工装模型在施加轴拉载荷Fs下的 连接螺栓截面轴拉数据和连接螺栓截面弯矩数据，并以连接螺栓截面轴拉为横坐标，连接 螺栓截面弯矩为纵坐标，绘制曲线2，，将曲线2与步骤（一）中得到的曲线1进行对比， 若两条曲线峰值点、结束点的数据误差均彡5%，则进入步骤（四）；若两条曲线峰值 点数据误差彡5%、结束点的数据误差> 5%，则对施加的轴拉载荷^进行调整，返回步骤 (三）；若两条曲线峰值点数据误差> 5%、结束点的数据误差彡5%，则利用有限元软件对 所述附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒（1)、下螺栓盒（2)和垫块（3)的尺寸进行修改，返 回步骤（三）；若两条曲线峰值点、结束点的数据误差均> 5 %，则对施加的轴拉载荷Fs进 行调整，同时利用有限元软件对所述附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒（1)、下螺栓盒（2) 和垫块（3)的结构尺寸进行修改，返回步骤（三）； 步骤（四）、根据步骤（三）确定的附加弯矩试验工装模型制备附加弯矩试验工装，进 行拉弯耦合等效试验，得到连接螺栓的极限承载能力参数，即连接螺栓拉断时对应的载荷 F ;将载荷F与步骤（三）中最终确定的轴拉载荷Fs进行对比，若F > Fs，则步骤（一）中 螺栓连接件满足设计要求，否则，步骤（一）中螺栓连接件不满足设计要求。
2. 根据权利要求1所述的一种螺栓拉弯耦合等效试验方法，其特征在于：所述步骤 (二） 中建立的附加弯矩试验工装模型中的上螺栓盒（1)包括底板、背板和两个侧板，下螺 栓盒（2)包括顶板、背板和两个侧板，垫块（3)为立方体结构，垫块（3)安装位置避开螺栓 ⑷。
3. 根据权利要求1或2所述的一种螺栓拉弯耦合等效试验方法，其特征在于：所述步 骤（二）中建立的附加弯矩试验工装模型中的上螺栓盒（1)的底板厚度、下螺栓盒（2)的 顶板厚度和垫块（3)厚度的总和等于步骤（一）中螺栓连接件中的上螺栓盒底板厚度与下 螺栓盒顶板厚度之和。
4. 根据权利要求1所述的一种螺栓拉弯耦合等效试验方法，其特征在于：所述步骤 (三） 中对附加弯矩试验工装模型的上螺栓盒（1)、下螺栓盒（2)和垫块（3)的尺寸进行修 改，即对上螺栓盒（1)的底板、侧板厚度，下螺栓盒（2)的顶板、侧板厚度和垫块（3)厚度进 行调整，同时需要满足附加弯矩试验工装模型中的上螺栓盒（1)的底板厚度、下螺栓盒（2) 的顶板厚度和垫块（3)厚度的总和等于步骤（一）中螺栓连接件中的上螺栓盒底板厚度与 下螺栓盒顶板厚度之和。
【文档编号】G06F17/50GK104090998SQ201410286019
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】王斌, 张希, 林川, 李林生, 朱振涛, 章凌, 吴浩, 曹昱, 徐珊珊, 曾杜娟 申请人:北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院