氣錘沖擊作用下含螺栓連接組合結構加速度響應研究

顧晨鈺，于紀言， 王曉鳴

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，南京　210094)

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氣錘沖擊作用下含螺栓連接組合結構加速度響應研究

顧晨鈺，于紀言， 王曉鳴

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，南京210094)

摘要：為了獲得組合結構在高過載環(huán)境中的加速度響應規(guī)律，進行了氣錘過載沖擊實驗，得到帶螺栓連接組合結構不同位置的加速度響應，并使用ABAQUS有限元軟件對實驗動態(tài)沖擊過程進行仿真研究，驗證了數(shù)值仿真的可靠性。利用驗證的有限元模型對高過載環(huán)境中螺栓預緊力、氣錘沖擊速度對組合結構不同位置加速度的影響進行仿真分析。結果表明螺栓預緊力較小時，組合結構對加速度“削弱”明顯，當1#和2#位置螺栓預緊力達到10 kN和15 kN 時，組合結構對加速度“削弱”作用減小并趨于穩(wěn)定；初始沖擊速度增加，相鄰位置加速度差值增加，差值基本呈線性關系，斜率分別為0.025 66和0.013 57。以上結論為實際工程應用抗過載設計提供參考依據(jù)。

關鍵詞：螺栓連接；組合結構；高過載；沖擊；加速度

螺栓連接廣泛運用于制造、軍工等領域，尤其在軍工領域中，組合結構在高過載環(huán)境中通常采用螺栓加固。國內(nèi)外學者在相關方面已經(jīng)做出了很多研究，Nassar[1]提出更精確的解析模型解釋螺栓連接自松弛現(xiàn)象，建立了考慮螺紋的三維有限元模型，用降溫法加載預緊力，為螺栓連接的有限元建模提供了一種思路；丁問司[2]通過建立氣動沖擊機構的數(shù)學模型并進行仿真計算，對各沖擊參數(shù)研究；胡紹巧[3]通過改變仿真中落錘的高度、落錘的質(zhì)量，研究炸藥內(nèi)部的動態(tài)響應特征，在一定程度上給本研究的實驗仿真提供了思路；楊書儀[4]對多部件的移動硬板進行了跌落沖擊仿真，考慮了多部件結構在沖擊過程中的相互影響；Karagiozova[5]應用有限元研究了低速沖擊和高速沖擊下的金屬圓柱殼的響應歷程；汪玉[6]對V6柴油機沖擊狀態(tài)下的應力響應，得出該組合結構的沖擊特性是非線性的。盡管相關的研究已經(jīng)比較充分全面，但是針對高過載環(huán)境中組合結構自身不同位置的加速度響應及其影響因素的研究并不多見。

基于上述原因，本研究基于過載沖擊試驗平臺，自主設計帶螺栓連接組合結構，并在其典型部位安裝加速度傳感器，研究其在高過載沖擊條件下，組合結構不同部件的過載響應，通過仿真建模分析組合結構在高過載環(huán)境下沖擊響應的影響因素，找出組合結構對高過載的不同過載響應規(guī)律，為實際工程應用提供參考依據(jù)。

1高過載環(huán)境下含螺栓連接組合結構沖擊響應特性實驗研究

1.1實驗平臺簡介和實驗布置及過程

沖擊實驗臺為美國AVEX公司的SM-105-MP氣錘，沖擊過程中能量損失少，并且可以進行重復性實驗，可在較小的高度獲得極大加速度，最大過載可達30 000 g。

實驗設備主要由沖擊系統(tǒng)、被撞擊系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。沖擊系統(tǒng)由上沖擊部、基座及自設計夾具組成。被撞擊系統(tǒng)由下沖擊部和氣錘底座組成。測試系統(tǒng)由夾具及實驗臺上不同部位的加速度傳感器及測試放大電路系統(tǒng)構成，加速度傳感器在2 000 g左右觸發(fā)。氣罐經(jīng)充氣作為前端壓力輸送經(jīng)過干燥機作用于氣錘沖擊部，用以抬高氣錘及高速驅(qū)動氣錘沖擊。過載沖擊臺試驗原理及實物如圖1和圖2所示，試驗中夾具外徑為100 mm，內(nèi)徑為30 mm的圓盤，套筒高度為200 mm，直徑為50 mm，壁厚為3.5 mm；圓柱形基座直徑為200 mm，高度為100 mm；試驗中所采用的螺栓為英制3/8-16粗牙螺栓，螺栓預緊力通過數(shù)字力矩扳手確定為15 kN。

1號傳感器安裝在夾具上(1通道)，2號傳感器安裝在套筒上(2通道)，3號傳感器安裝在平臺上(3通道)，三軸傳感器安裝在夾具上(4通道)。傳感器安裝如圖3所示。(注：由于不同傳感器之間觸發(fā)機理不同會導致所得加速度峰值和脈寬有差別。)

實驗分為3組，如表1所示預沖擊高度定為50 cm，設定沖擊氣壓為0.8 MPa、0.9 MPa和1.0 MPa。試驗過程中上下沖擊部初始為貼合狀態(tài)，后上沖擊部經(jīng)氣壓頂起后又在氣壓作用下快速沖擊下沖擊部，以上為一完整的沖擊過程。在沖擊過程中兩種加速度傳感器在500 g時觸發(fā)開始記錄。

圖1　實驗沖擊臺示意圖

圖2　實驗設備

圖3　傳感器位置分布示意圖

編號高度/cm氣壓/MPa撞擊次數(shù)1500.812500.913501.01

1.2實驗結果分析

由以上3組實驗可知，當過載沖擊實驗臺以固定速度撞擊被沖擊部時，組合結構不同部位獲得不同的加速度響應。如表2、表3、表4可見3組實驗表明3組傳感器的加速度數(shù)值為3#>2#>1#(4#)，其中1#和4#為對稱位置的不同加速度傳感器，其測得的加速度值較為接近，對比可知實驗測試結果較為準確。

表2　測試1數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3　測試2數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表4　測試3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2數(shù)值仿真

2.1有限元模型建立

運用ABAQUS有限元軟件，對組合結構不同位置高過載環(huán)境中加速度響應進行有限元仿真驗證，模型參數(shù)與實驗參數(shù)基本相同。圖4中左圖為沖擊實驗臺有限元模型，為減少計算量，建立有限元模型過程中，在遵循實際模型的基礎上做如下簡化：① 省略對計算結果影響不大的尺寸及結構，如沖擊部的圓角、凸臺等；② 螺栓采用ABAQUS中螺栓連接器等效替代，螺栓預緊力為15 kN,并在隱式分析步施加[7]；③ 下沖擊部簡化為剛體材料；④ 實驗中1# 和4#位置的傳感器是對稱位置的不同加速度傳感器，故仿真中僅取其中任一位置加速度。

如圖4所示，下沖擊部作為剛性體并固定，其他結構作為彈塑性體，采用C3D8R單元，下沖擊部正上方一定高度，并固定作為初始沖擊狀態(tài)，設置重力場狀態(tài)分析步和沖擊分析步，重力場狀態(tài)分析步中的試驗臺重力作用下應力應變狀態(tài)，并將此狀態(tài)加載到?jīng)_擊分析步狀態(tài)下；沖擊分析步下，選取基座的一個面豎直向下施加作用力，通過設置平緩加速度曲線及其幅值系數(shù)使沖擊臺獲得穩(wěn)定的撞擊速度，從而減小因沖擊臺自身的加速度造成的誤差，參見圖5。可通過調(diào)節(jié)加速度曲線的幅值，獲得不同的撞擊速度，可得不同的過載值。

過載沖擊臺初始沖擊高度為500 mm，沖擊方向為豎直向下，沖擊臺及組合結構材料屬性如表5所示。充分定義模型中發(fā)生接觸。數(shù)值模型采用mm-ms-k g單位制。模型共有part單位4、單元數(shù)目108 131。分別和實驗對應的在基座、套筒、夾具上傳感器位置 設置3個參考點并提取其沖擊全過程加速度。

表5　材料屬性

圖4　有限元網(wǎng)格模型及邊界條件

圖5　沖擊臺載荷施加條件

2.2非線性有限元算法

螺栓連接組合結構在高過載環(huán)境中的撞擊過程是一個短暫、復雜的過程，其撞擊剛性面時與剛性面的沖擊影響著整個組合結構的全部沖擊響應過程，全程涉及材料非線性、幾何非線性以及接觸面非線性[8]。

ABAQUS/explicit提供了兩種接觸增強約束方法：動力學法與罰函數(shù)法。動力學法使用加速度修正來改善接觸侵徹關系。而主從-平衡接觸算法會將主從面置換后的情況也考慮在內(nèi)，具體說就是計算考慮其中一個面是主面時的修正值大小，同時計算同一個面是從面時的修正值大小，這兩個值將按照權重值加以平均。ABAQUS會使用兩次修正使得各節(jié)點建立接觸關系。

就接觸約束的增強效果來說，罰函數(shù)法不及動力學法，但罰函數(shù)法具有更為廣泛的接觸應用場合，允許兩剛體部件之間發(fā)生接觸。又如，罰函數(shù)法允許接觸的表面同時與其他元素有約束或綁定關系。由于罰函數(shù)法會在整個模型中額外增加剛度，將對穩(wěn)定增量步長產(chǎn)生一定的影響。

2.3仿真計算結果分析

由仿真結果可知，兩組螺栓預緊力均為10 kN，加速幅值系數(shù)5 k，在此狀態(tài)下對剛性被沖擊部進行沖擊，沖擊瞬間應力云圖如圖6。提取加速度的三位置整體過載曲線如圖7。

圖6　沖擊瞬間應力云圖

圖7　三位置加速度-時間曲線

采用上述有限元模型及材料參數(shù)，對過載沖擊實驗臺的沖擊響應過程進行數(shù)值仿真。

由應力云圖可清楚看到隨著撞擊的發(fā)生，沖擊臺整體的應力變化和加速度曲線吻合并沿著撞擊部位逐漸向上傳遞。沖擊速度與實驗撞擊速度基本一致，并獲得相當?shù)募铀俣取?/p>

由加速度時間曲線可知，提取加速度的三點峰值越大脈寬越窄，趨勢和規(guī)律符合實驗測試結果。3#的仿真結果為15 052 g 和測試結果接近，1#和2#的差值分別為10 827 g和12 234 g，由于傳感器靈敏度、實驗中螺栓松緊等不確定性因素，雖然稍大于實驗結果，但是整體仿真結果已經(jīng)表明組合結構在高過載環(huán)境中的響應規(guī)律，同時，從其中可以看出仿真中的加速度曲線的脈寬由3#、2#、1#位置逐漸增大，這是由于高過載在組合體間傳遞、響應等作用下增大了加速度的觸發(fā)的脈寬。

綜上仿真結果知，提取的3個不同位置的加速度值呈現(xiàn)出距離撞擊部越近加速度值越近的現(xiàn)象，即3#>2#>1#，符合了實驗前的猜想，組合結構對加速度的響應隨組合結構的增加使加速度的傳遞逐漸減弱，并使加速度曲線的脈寬增加，使加速度“緩沖”。由實驗結果和過載沖擊臺時間-過載曲線可知，采用限元過載沖擊臺模型是合理的，并可以以此為參考進行參數(shù)化研究和分析。

3高過載環(huán)境中其他因素對加速度響應的影響

3.1螺栓預緊力對不同位置組合結構加速度峰值響應影響分析

在實際試驗操作中,外加載荷是通過其他零件傳遞至螺栓[9-10]，對螺栓的反復沖擊振動會導致預緊力逐漸減小，且人為影響因素較大，從而影響實驗的測試結果。故用有限元仿真適當替代預緊力等不穩(wěn)定因素較為可取，由圖8組合結構螺栓位置知，3#位置加速度不受到螺栓連接的影響，通過有限元仿真方法，將3#位置加速度作為可控初始條件，通過改變螺栓預緊力的大小，分析預緊力對1#和2#位置點加速度的影響規(guī)律。本組仿真分別針對組合結構的兩組螺栓施加5 kN,10 kN,15 kN,20 kN,25 kN的預緊力，預緊力為F取第一個波峰值。

圖8　螺栓位置

相同邊界條件下增加螺栓預緊力，提取點加速度峰值變化曲線如圖9。

圖9　加速度峰值-螺栓預緊力關系

由仿真結果可知，初始條件3#位置的加速度峰值穩(wěn)定在14 500 g左右，隨著螺栓預緊力的增加，提取的1#和2#位置加速度峰值先逐漸增加，當預緊力達到25 kN時增幅明顯減緩，此時對應加速度峰值為11 300 g和13 200 g。

由此可知， 當螺栓預緊力較小時，會較大程度影響組合結構之間的加速度響應，組合結構件加速度“衰減”明顯；當1#和2#的螺栓預緊力達到10 kN和15 kN時，帶螺栓連接的組合結構在高過載環(huán)境中受預緊力的影響作用達到“飽和”。可為機械結構的抗過載結構設計提供參考依據(jù)。

3.2沖擊速度對組合結構不同位置加速度差異響應影響分析

在保持螺栓預緊力等外界條件不變的情況下，通過改變上沖擊部加速度曲線的幅值達到增加初始速度的目的，從而增大上沖擊部加速度值。本組仿真分別設置加速度曲線幅值系數(shù)為5 k,10 k,15 k,20 k,25 k,30 k,35 k。通過有限元仿真分析不同加速度過載情況下提取點的加速度“衰減”規(guī)律。

在相同邊界條件下，由先前的實驗結果知，組合結構的加速度值由距離沖擊部由近向遠逐漸減小，即3#>2#>1#，故分別對不同幅值系數(shù)仿真組中3#和2#，2#和1#的加速度峰值做差。如圖10所示。

圖10　相鄰位置加速度差值和加速度幅值系數(shù)關系曲線

由圖10知，3#和2#位置撞擊加速度峰值之差整體大于2#和1#加速度峰值之差，兩組數(shù)據(jù)均說明，隨著撞擊速度的增加，相鄰位置加速度的差值增加。符合常識經(jīng)驗。隨著初始撞擊速度繼續(xù)增大，兩組差值基本呈線性關系。分別取2#和1#位置及3#和2#位置加速度差值點擬合得直線斜率k1、k2，其中k1=0.025 66，k2=0.013 57。該結果表明隨著過載的增加，加速度過載在2#、1#位置之間的衰減增速大于3#、2# 之間的衰減幅度。該結論可為抗過載設計應用提供一定的理論依據(jù)。

4結論

本研究采用ABAQUS有限元仿真軟件、AVEX公司的SM-105-MP過載沖擊實驗臺、自設計帶螺栓組合結構結合加速度傳感器，對組合結構在高過載環(huán)境中的加速度響應特性進行實驗并結合仿真對比研究，發(fā)現(xiàn)螺栓連接體在高過載環(huán)境中不等同于剛性體，其不同位置加速度響應不同，并得出以下結論：

1) 螺栓連接組合結構在高過載沖擊下仿真加速度峰值與實際實驗測得加速度峰值大小基本一致，表明所采用的有限元模型進行高過載沖擊動態(tài)響應分析能夠較為真實反映螺栓連接組合結構高過載環(huán)境中的加速度響應機理。

2) 螺栓預緊力對組合結構的加速度響應有一定的影響，只有在預緊力較小時，加速度的峰值和預緊力呈正相關；當預緊力繼續(xù)增大，加速度的峰值基本保持不變，說明預緊力對于帶螺栓結構的組合結構高過載環(huán)境加速度響應僅在一定范圍內(nèi)起到影響作用。

3) 隨著初始撞擊速度增加的初始階段，3#和2#位置的加速度峰值之差大于2#和1#位置加速度峰值之差；3#和1#組(靠近撞擊部位兩位置)加速度差初始增速小于(相對遠離撞擊部位兩位置)加速度差值，當速度繼續(xù)增加，兩組加速度差值仍保持之前差異，增幅變小，兩差值變化趨勢趨向一致。

以上結論證明了實驗仿真的可靠性，并且為抗過載、抗沖擊設計方法提供參考依據(jù)。

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(責任編輯唐定國)

本文引用格式：顧晨鈺，于紀言， 王曉鳴.氣錘沖擊作用下含螺栓連接組合結構加速度響應研究[J].兵器裝備工程學報，2016(4):51-55.

Citation format:GU Chen-yu, YU Ji-yan, WANG Xiao-ming.Analysis of Acceleration Response of Multi-Body with Bolted Under the Drop Hammer Impact[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):51-55.

Analysis of Acceleration Response of Multi-Body with Bolted Under the Drop Hammer Impact

GU Chen-yu, YU Ji-yan, WANG Xiao-ming

(Intelligence Ammunition of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to obtain the acceleration response discipline of multi-body structure in high overload environments, we conducted hammer overload impact test, and obtained the different positions of acceleration response of multi-body structure with bolted and studied the experimental dynamic impact process simulation by using ABAQUS finite element software, and verified the reliability of the numerical simulation. Using the finite element model with certification, we simulated and analyzed the effect of bolt preload the impact velocity of steam hammer in high overload environment to the acceleration of different positions. The results indicate when the bolt preload is smaller, the composite structure of the acceleration is “weakened” obviously, and when the bolt preloads on 1# and 2# positions reach 10 kN and 15 kN, the composite structures for acceleration “weakening” effect is reduced and stabilized; and when the initial impact velocity is increasing, the acceleration difference between adjacent positions increased, and the difference basically appeared linear relationship, the slopes are 0.025 66 and 0.013 57, respectively. These conclusions provide reference for practical engineering application design of anti-overload.

Key words:bolt connection; composite structure; high overload; impact; acceleration

文章編號：1006-0707(2016)04-0051-05

中圖分類號：TJ03

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.014

作者簡介：顧晨鈺(1989—)，碩士，主要從事彈丸的膛內(nèi)動力學響應研究。

基金項目：國家自然科學基金(11402121)

收稿日期：2015-10-23；修回日期：2015-11-25

【機械制造與檢測技術】