本发明涉及一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，属于螺纹紧固件设计及航空航天、轨道交通、装备制造等行业关键精密复杂部件智能装配技术领域。
背景技术：
螺栓紧固件因具有通用性强、装拆方便及动载荷作用下稳定性高等优点而被广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶、装备制造及桥梁、建筑等机械/土木工程领域。与铆接、焊接和粘接相比，其连接结构在振动、交变载荷、冲击或高温环境中常伴随自松弛现象，导致关键精密复杂部件或装备制造整机装配质量和加工精度下降，高速设备损坏、解体，危及人身及财产安全。
gb/t16823.3-2010标准以kellermann和klein公式为基础建立了式(1)所示的紧固力矩-预紧力函数关系式。分析表明：在螺栓型号和被连接件材料、孔径确定的情况下，螺栓连接结构的装配质量和服役时间与螺栓连接结构螺母或螺栓承压面摩擦系数、螺纹旋合面摩擦系数及螺栓预紧力等参数直接相关。目前，扭矩法和扭矩-转角法是工程领域螺栓连接结构装配中常用的紧固方法，具体实施过程是采用扭力扳手对螺栓帽或螺母施加紧固力矩，进而获得螺栓连接结构目标预紧力。然而，上述方法往往受接触表面粗糙形貌、螺栓组件是否润滑或涂胶、紧固过程速度快慢等外界因素影响，使得螺栓连接结构承压面和螺纹旋合面摩擦系数发生改变；此外，通过单螺栓紧固试验发现上述方法存在30％-40％的误差。因此，在不改变螺栓连接原始结构的基础上无法准确控制并获取螺栓预紧力及其变化规律，采用螺栓预紧力衰减状况表征螺栓连接结构松弛特性无法掌握，从而带来安全隐患。
式中，f为预紧力，p是螺距，d2是螺纹中径，d0是支承面外径，dh是孔径，μth是螺纹摩擦系数，μb是螺母或螺栓支承面摩擦系数。
由于螺栓连接结构松弛特性是其服役期间的一种固有属性，只能尽量减小不能完全消除，因此针对这一问题，国内外学者和工程师主要从螺栓连接结构松弛机理和防松措施两方面展开试验和理论研究，提高螺栓连接结构可靠性。其中，螺栓连接结构松弛机理多以连接螺栓夹紧力(如文件cn103630282a)为表征参数描述其松弛特性，改变了螺栓连接原始结构，获得的松弛特性曲线不具有普遍适用性。此外，现有国内外连接螺栓防松方法均存在不足，如摩擦防松(设置弹簧垫圈、双螺母、锁紧垫圈、扣紧螺母、尼龙嵌件和化学涂胶等)在重载、剧烈振动或恶劣环境条件下可靠性不稳定；机械防松(开槽螺母、开口销、止动垫圈和钢丝串接等)受到连接结构限制，使得重复使用性差；结构防松(偏心螺母防松、唐氏防松和弹压式防松等)由于制造工艺复杂、成本较高而未能在工程领域广泛应用。上述防松方法多与预紧力相关，当增大紧固力矩时可能导致主体出现断裂、损坏现象的概率升高，且防松方法的实施增加了工作量，不能从根本上解决螺栓连接结构松弛问题。
综上所述，在对螺栓连接结构松弛特性表征方法进行深入研究的基础上，发明了一种用刚度衰减表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法。
技术实现要素：
本发明采用的技术方案是：一种表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，在计及真实粗糙表面形貌的单螺栓连接试件进行有限元分析的基础上，完成单螺栓连接轴向试件和切向试件的制作；应用搭建的实验平台和lms振动系统，实现夹紧力与刚度信号的采集与拟合。
该实验方法包括：
s1、基于获取的螺栓连接结构接触表面三维粗糙形貌构建单螺栓连接试件有限元模型；
s2、采用ansys软件对单螺栓连接试件进行静强度分析，绘制其受载情况下的形变曲线；
s3、制作单螺栓连接轴向试件和切向试件，用于分析轴向外载荷及切向外载荷对螺栓连接结构松弛特性的影响规律；
s4、搭建实验平台，通过循环载荷控制软件对装夹在疲劳试验机上的单螺栓试件施加一定频率的循环载荷；
s5、间隔相同时间，应用lms振动系统对单螺栓连接试件进行模态试验；
s6、提取压力传感器输出的夹紧力信号和模态试验中的刚度信号，并将其拟合曲线进行对比。
与现有技术相比，本发明提出一种用刚度衰减表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法，既未改变螺栓连接原始结构，也解决了螺栓连接结构松弛行为带来的安全隐患及装备制造业材料成本高等问题，为关键精密复杂部件连接螺栓松弛的判定和再次紧固提供技术支持。
附图说明
图1是表征螺栓连接结构松弛特性的实验方法流程图。
图2是计及真实粗糙表面形貌的有限元接触模型。
图3是单螺栓连接轴向试件和切向试件。
图4是单螺栓连接试件松弛特性试验。
图5是单螺栓连接试件模态试验。
图中：1-第一轴向试件上连接件，2-第一轴向试件下连接件，3-第二轴向试件上连接件，4-第二轴向试件下连接件，5-螺栓，6-螺母，7-疲劳试验机，8-上被连接件，9-螺栓，10-下被连接件，11-螺母，12-压力传感器，13-数据采集系统，14-数据分析系统，15-计算机，16-采集仪，17-力锤，18-加速度传感器。
具体实施方式
为使机械/土木等工程领域设计人员和检修人员更加清楚本发明提出的实验方法及其优点，将结合具体实施例中的附图对本发明作进一步描述。图1所示为本发明总体实验方案，具体实施步骤说明如下。
步骤1：单螺栓连接试件有限元模型构建；
采用三维表面形貌仪对螺栓连接结构中的接触表面进行测量，获取三维粗糙表面形貌，在建立图2所示的计及真实粗糙表面形貌有限元接触模型的基础上，构建单螺栓连接轴向试件和切向试件有限元模型。
步骤2：绘制单螺栓连接试件的载荷-形变曲线；
采用ansys软件对单螺栓连接结构施加预紧力，分析有限元模型中接触表面的应力分布状态，构建基于分形理论的接触表面法向刚度kn的数学模型：
式中，e是零件材料弹性模量，
根据螺栓连接结构被连接件刚度kp的数学模型，结合螺栓本身刚度计算并绘制预紧状态下单螺栓连接轴向试件和切向试件的载荷-形变曲线。
式中，dh是螺栓孔直径，dw是垫片支承面直径，dm是被连接件的外部直径，l是被连接件的总厚度，θ是半顶角，其表达式为
式中，a1，a2，a3，a4，a5为实验系数，a1，a2，a3，a4，a5根据实验数据应用线性回归算法确定，c/d是相对间隙，l/d是相对总厚度，r是被连接件的厚度比。
步骤3：制作单螺栓连接轴向试件和切向试件；
如图3所示，为了分析轴向循环载荷与切向循环载荷对螺栓连接结构松弛特性的影响，制作单螺栓连接轴向试件与切向试件。轴向试件由第一轴向试件上连接件(1)、第一轴向试件下连接件(2)组成，切向试件由第二轴向试件上连接件(3)、第二轴向试件下连接件(4)组成。
第一轴向试件上连接件(1)和第一轴向试件下连接件(2)之间，以及第二轴向试件上连接件(3)和第二轴向试件下连接件(4)之间均采用螺栓(5)和螺母(6)连接。
步骤4：实验平台的搭建及循环载荷试验；
图4所示的实验平台包括疲劳试验机(7)、单螺栓连接试件、压力传感器(12)、数据采集系统(13)、数据分析系统(14)及循环载荷控制软件。压力传感器(12)被安装在螺栓与被连接件接触表面之间；组装好的单螺栓连接试件夹持在疲劳试验机(7)的上下夹具上；计算机(15)中装有wavematrix软件，采用wavematrix软件对单螺栓轴向试件和切向试件施加相同条件的循环载荷；应用压力传感器(12)和数据采集系统(13)实时监测单螺栓连接试件的夹紧力，并采用数据分析系统(14)对夹紧力数据进行滤波。
步骤5：基于lms振动系统的模态试验；
对单螺栓连接轴向试件和切向试件分别进行相同条件下的8组循环载荷试验；当试验时间为30min、60min，…，240min时，采用lms振动系统对取下的试件进行模态试验；其中，lms振动系统由计算机(15)、采集仪(16)、力锤(17)和加速度传感器(18)组成，力锤(17)和加速度传感器(18)与采集仪(16)连接，采集仪(16)与计算机(15)连接，如图5所示。
步骤6：夹紧力信号和刚度信号的提取与拟合；
将滤波后得到的夹紧力数据进行拟合，绘制单螺栓连接试件夹紧力变化曲线；基于如下频响函数模型，提取单螺栓连接轴向试件和切向试件的刚度信号：
式中，上标1、2表示螺栓连接结构子系统，下标a、c表示除螺栓连接试件接触表面以外的区域，
将获取的刚度值进行拟合，并与夹紧力变化曲线进行比较，验证采用刚度变化表征螺栓连接结构松弛特性的准确性。
第一轴向试件上连接件(1)、第一轴向试件下连接件(2)、第二轴向试件上连接件(3)和第二轴向试件下连接件(4)的材料均是45#钢。
螺栓(5)规格为m16×80，材料为a-70不锈钢。
螺栓(5)穿过螺栓孔与螺母(6)配合，采用扭矩法进行紧固，完成试件的组装。
除了上述实施例外，其他未述的实施方式也应在本发明的保护范围之内。本文所述的具体实施方式仅是对本发明构思作举例描述，本发明所属技术领域的人员可以对所描述的具体实施例进行修改、补充、替代，但都不能偏离本发明的构思或超越所附权利要求书定义的范围。本文通过特定术语叙述不排除使用其他术语的可能性，这些术语只是为了通俗方便描述来解释本发明的本质，不能解释成任何一种附加的限制。