田彤輝， 袁杰紅， 王青文， 關(guān)振群， 陳柏生

(1.國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

工程中導(dǎo)彈、火箭等運(yùn)載結(jié)構(gòu)艙段間主要采用螺栓法蘭連接方式實(shí)現(xiàn)級(jí)間裝配和彈體密封，通過(guò)連接界面間的接觸和摩擦承載，為整體結(jié)構(gòu)提供連接剛度和強(qiáng)度[1]。艙段間連接結(jié)構(gòu)在幾何上的不連續(xù)，使得對(duì)接區(qū)域剛度和阻尼發(fā)生非線(xiàn)性畸變，在外力作用下易產(chǎn)生過(guò)大的局部變形和應(yīng)力集中，屬于承載能力薄弱位置[2]。對(duì)于級(jí)間螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)可能受到異常荷載作用的實(shí)際工程背景，結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度設(shè)計(jì)和失效機(jī)理研究是工業(yè)裝備連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)心的重要方面[3]。

如前所述，由于連接結(jié)構(gòu)中連接界面破壞了整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，引入非線(xiàn)性接觸、摩擦和碰撞等影響，使得其力學(xué)性質(zhì)和失效機(jī)理極為復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的物理模型描述，目前研究成果中尚未發(fā)現(xiàn)從理論角度對(duì)連接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的刻畫(huà)[4-7]。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段和新興的數(shù)值仿真方法成為工程設(shè)計(jì)中研究此類(lèi)問(wèn)題的主要工具[8]。限于實(shí)驗(yàn)成本和技術(shù)難度，一段時(shí)間以來(lái)國(guó)內(nèi)研究人員在針對(duì)連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的有限元仿真方法上做了大量工作[9]。具有代表性地，2011年北京強(qiáng)度環(huán)境研究所侯傳濤等[10]為揭示爆炸螺栓破壞的機(jī)理，建立了螺栓等尺寸和構(gòu)形的有限元模型，但出于計(jì)算效率的考慮，將螺紋通過(guò)接觸邊界等效，對(duì)研究螺栓斷裂失效的簡(jiǎn)化仿真模型做了嘗試。2014年清華大學(xué)張朝暉等[11]將數(shù)值仿真的著眼點(diǎn)放在材料的失效本構(gòu)上，同樣采用無(wú)螺紋的等效簡(jiǎn)化仿真模型，通過(guò)Abaqus用戶(hù)子程序VUMAT建立了冪硬化本構(gòu)的材料模型，得到不同工況下螺栓載荷和軸向位移破壞曲線(xiàn)。隨著精細(xì)有限元模型概念的提出，已經(jīng)有學(xué)者將計(jì)算效率和可行性前提下連接結(jié)構(gòu)特別是連接螺栓的精細(xì)仿真模型作為研究的切入點(diǎn)。2017年大連理工大學(xué)陳巖等[12]基于Abaqus軟件二次開(kāi)發(fā)技術(shù)成功建立了含螺紋精細(xì)結(jié)構(gòu)的單螺栓有限元模型，并針對(duì)預(yù)緊力松弛問(wèn)題實(shí)現(xiàn)了仿真分析。但是，由于螺紋幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)格劃分水平及計(jì)算機(jī)工作能力都提出很高的要求，尤其對(duì)于級(jí)間連接結(jié)構(gòu)螺栓組，如何在保證計(jì)算效率的前提下合理簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)高精度仿真分析仍是下一步研究的重點(diǎn)。

出于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的需求，近年來(lái)國(guó)外[13-15]已有針對(duì)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展，涉及提取拉壓剛度和彎曲剛度等力學(xué)參數(shù)的靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)、確定固有頻率和固有振型等的模態(tài)實(shí)驗(yàn)以及分析結(jié)構(gòu)承載能力和功能機(jī)理的失效實(shí)驗(yàn)。例如，2005年Semke等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，提取了含螺栓法蘭連接簡(jiǎn)支管道系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)，并在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上指導(dǎo)建立了有限元仿真模型。特別地，已開(kāi)展的可作為實(shí)驗(yàn)參考的連接結(jié)構(gòu)失效實(shí)驗(yàn)主要是2013年Van等[17]設(shè)計(jì)的軸向單調(diào)和循環(huán)加載疲勞實(shí)驗(yàn)及2014年P(guān)rinze等[18]針對(duì)螺栓連接的梁- 柱結(jié)構(gòu)橫向準(zhǔn)靜態(tài)承載失效實(shí)驗(yàn)。上述兩次實(shí)驗(yàn)為該種結(jié)構(gòu)失效機(jī)理研究積累了第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了參考。導(dǎo)彈、火箭等的級(jí)間螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)在工作中有較大概率受到?jīng)_擊荷載和準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載等異常荷載作用[19]，使得針對(duì)連接結(jié)構(gòu)沖擊、準(zhǔn)靜態(tài)承載能力和失效機(jī)理研究成為重點(diǎn)，但尚未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展和成果發(fā)表。

為分析級(jí)間連接結(jié)構(gòu)在橫向沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)異常荷載作用下的失效機(jī)理，本文依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)化制作了一組原理性實(shí)驗(yàn)件，分別設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一次沖擊加載失效實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)加載失效實(shí)驗(yàn)，采集并記錄反映失效特點(diǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)比總結(jié)不同加載工況下級(jí)間連接結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。進(jìn)一步，采用Abaqus有限元分析軟件建立了級(jí)間連接結(jié)構(gòu)失效的仿真模型，對(duì)沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)失效過(guò)程進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果檢驗(yàn)校核。研究成果可為級(jí)間連接結(jié)構(gòu)承載能力和失效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)件準(zhǔn)備

實(shí)際導(dǎo)彈(火箭)(簡(jiǎn)稱(chēng)彈(箭))級(jí)間連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸不便于開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和仿真研究，而結(jié)構(gòu)的縮比簡(jiǎn)化需要一定的時(shí)間成本和研究投入。本文研究的關(guān)注點(diǎn)在于探討結(jié)構(gòu)失效機(jī)理和校核仿真結(jié)果，具有代表性和一般性的原理性實(shí)驗(yàn)件能夠滿(mǎn)足研究需要，因此實(shí)驗(yàn)件的簡(jiǎn)化原則主要有兩個(gè)方面：一方面尺寸組成便于制作和開(kāi)展沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)與仿真；另一方面能夠最大程度反映級(jí)間連接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理，需要重點(diǎn)考慮栓孔間距、柱段尺寸和法蘭厚度等的設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述原則，簡(jiǎn)化的原理性實(shí)驗(yàn)件主要包括上下柱段、剪力銷(xiāo)、螺栓和墊塊組成。其中，柱段上下端分別為外翻法蘭和內(nèi)翻法蘭，法蘭上均勻分布有12個(gè)栓孔，內(nèi)翻法蘭均勻分布有12個(gè)銷(xiāo)孔，上、下柱段內(nèi)翻法蘭通過(guò)12組螺栓和墊塊緊密對(duì)接裝配成一體，實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖1和表1所示。實(shí)驗(yàn)件柱段及墊塊材料為6061鋁合金，剪力銷(xiāo)材料為30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼，螺栓為M5的8.8級(jí)標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)螺栓，實(shí)驗(yàn)件材料參數(shù)如表2所示。需要說(shuō)明的是，為避免法蘭盤(pán)與柱段間焊接造成的殘余應(yīng)力和強(qiáng)度不均勻?qū)?shí)驗(yàn)的影響，原理性實(shí)驗(yàn)件通過(guò)整體鋁棒直接切削成型的加工工藝制造，且在法蘭盤(pán)與柱段連接處預(yù)留5 mm高度加厚過(guò)渡層，壁厚5 mm.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為分析和對(duì)比不同加載工況下級(jí)間連接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理，同時(shí)為數(shù)值仿真提供參考，本文針對(duì)原理性實(shí)驗(yàn)件分別進(jìn)行了一次沖擊失效實(shí)驗(yàn)和一次準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension parameters of test specimens

表2 材料參數(shù)Tab.2 Material parameters

沖擊失效實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)際工程背景和分析連接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理的需要，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要有兩個(gè)：模擬真實(shí)彈(箭)體結(jié)構(gòu)可能受到的毫秒量級(jí)沖擊加載及實(shí)現(xiàn)橫向沖擊加載下連接結(jié)構(gòu)螺栓組序列失效特點(diǎn)。為此，實(shí)驗(yàn)采用落錘沖擊加載，在湖南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)實(shí)驗(yàn)室的落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)工裝現(xiàn)場(chǎng)如圖2(a)所示，通過(guò)法蘭環(huán)和12×M10的螺栓組將裝配好的實(shí)驗(yàn)件側(cè)向懸臂緊固于實(shí)驗(yàn)架，此外，為防止落錘直接加載造成實(shí)驗(yàn)件柱段毀傷而達(dá)不到螺栓組序列失效的預(yù)期效果，落錘加載通過(guò)在自由端緊固護(hù)具和承載平臺(tái)將沖擊荷載傳遞到連接結(jié)構(gòu)。需要說(shuō)明的是，由于落錘沖擊實(shí)驗(yàn)加載快、荷載幅值高，且實(shí)驗(yàn)件制作成本和操作安全風(fēng)險(xiǎn)較大，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究中證實(shí)，有限元數(shù)值仿真方法在模擬該種結(jié)構(gòu)失效方面具有較高精度，因此實(shí)驗(yàn)前通過(guò)Abaqus建立了對(duì)應(yīng)的仿真模型，并通過(guò)試算確定采用270 kg落錘從2 m高度釋放加載。

準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)：一方面是能夠模擬級(jí)間連接結(jié)構(gòu)在橫向準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下螺栓組序列失效的效果；另一方面能夠與橫向沖擊失效實(shí)驗(yàn)的加載效果作對(duì)比。因而與沖擊實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，通過(guò)法蘭環(huán)和緊固螺栓組將實(shí)驗(yàn)件側(cè)向懸臂緊固于實(shí)驗(yàn)架，實(shí)驗(yàn)件自由端加裝承載平臺(tái)，采用液壓作動(dòng)筒手動(dòng)加載，作動(dòng)筒錘頭作用承載平臺(tái)將載荷施加到連接結(jié)構(gòu)。特別地，為防止加載過(guò)程中作動(dòng)筒柱段側(cè)向偏移，加載前對(duì)柱段側(cè)向捆束以保證豎向加載效果。實(shí)驗(yàn)工裝現(xiàn)場(chǎng)如圖2(b)所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)工裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Experimental setup

為能夠給數(shù)值仿真提供參考和充分反映連接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理，沖擊失效實(shí)驗(yàn)中采集記錄了沖擊力和沖擊速度、螺栓力響應(yīng)和連接界面開(kāi)縫位移，準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)中采集記錄了加載力和加載位移(即作動(dòng)筒錘頭位移，下同)、螺栓力響應(yīng)等數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是，力響應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)力傳感器采集，位移數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)置電阻式位移傳感器采集，數(shù)據(jù)由美國(guó)NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)記錄，其中沖擊失效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣頻率為100 kHz，準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz. 特別地，螺栓力響應(yīng)數(shù)據(jù)是分析連接結(jié)構(gòu)實(shí)際響應(yīng)模式和失效機(jī)理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是有限元模型檢驗(yàn)校核的重要依據(jù)，因此實(shí)驗(yàn)中如何采集螺栓力響應(yīng)數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心，且必須盡量避免對(duì)實(shí)驗(yàn)件切削穿孔等處理造成原始誤差。本文首次設(shè)計(jì)一種新型螺栓響應(yīng)信號(hào)傳感器如圖3所示，采用間接測(cè)量的方式采集記錄螺栓響應(yīng)數(shù)據(jù)。傳感器通過(guò)在軸承鋼或彈簧鋼材質(zhì)(彈性極限高，保證受載過(guò)程中始終保持彈性變形范圍內(nèi))的套筒表面粘貼應(yīng)變片，采用45號(hào)鋼淬火硬化的卡環(huán)固定在法蘭和螺帽之間，加載過(guò)程中螺桿受力卡壓套筒，螺桿和套筒受力可近似認(rèn)為是大小相等、方向相反的作用力與反作用力關(guān)系，通過(guò)應(yīng)變片記錄套筒受力響應(yīng)從而換算得到螺桿力響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖3 螺栓響應(yīng)信號(hào)傳感器Fig.3 Sensor for bolt response signal

2 實(shí)驗(yàn)效果分析

首先進(jìn)行的是沖擊失效實(shí)驗(yàn)，落錘釋放后沖擊承載平臺(tái)，觀(guān)察到連接結(jié)構(gòu)螺栓組螺栓從上側(cè)開(kāi)始依序斷裂失效，實(shí)現(xiàn)了序列失效的設(shè)計(jì)效果。實(shí)驗(yàn)記錄的沖擊速度為6.206 m/s，沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)如圖4所示，可見(jiàn)落錘加載能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒量級(jí)三角脈沖加載的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

圖4 沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)Fig.4 Impact force vs. time

準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)中記錄的加載力- 加載位移曲線(xiàn)如圖5所示，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)承載極限42.6 kN左右，對(duì)應(yīng)加載位移26.8 mm左右，彎曲剛度為近似線(xiàn)性剛度。同樣的，作動(dòng)筒持續(xù)加載過(guò)程中，觀(guān)察到連接結(jié)構(gòu)螺栓組螺栓從上側(cè)開(kāi)始依序斷裂失效，實(shí)現(xiàn)了序列失效效果。但與沖擊失效不同的是，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中明顯觀(guān)察到螺栓組上側(cè)幾個(gè)螺栓同時(shí)失效，序列失效進(jìn)程分為4個(gè)梯度。

圖5 加載力- 加載位移曲線(xiàn)Fig.5 Curve of loading force-loading displacement

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖6所示)可見(jiàn)：沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)中墊塊未見(jiàn)明顯壓痕和變形，工裝邊界未見(jiàn)變形或松動(dòng)，除沖擊失效實(shí)驗(yàn)中連接界面最下側(cè)螺栓連接位置法蘭盤(pán)可見(jiàn)明顯變形外，其余位置未見(jiàn)明顯變形或裂口。與準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)不同，沖擊失效實(shí)驗(yàn)中剪力銷(xiāo)明顯彎曲變形，說(shuō)明在沖擊加載過(guò)程中剪力銷(xiāo)承受了較大的剪切荷載作用。螺栓組單個(gè)螺栓斷裂位置同樣為螺桿與螺帽交界面，實(shí)際失效模式為“拉彎耦合”失效，螺栓斷裂失效效果如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)效果Fig.6 Experimental results

圖7 單個(gè)螺栓失效效果Fig.7 Failure results of single bolt

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

連接結(jié)構(gòu)螺栓力響應(yīng)是反映結(jié)構(gòu)在外載作用下響應(yīng)模式和失效機(jī)理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為表述方便，螺栓組螺栓編號(hào)如圖8所示(由于準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)時(shí)受采集通道限制，只采集了螺栓分布圓平面右側(cè)7個(gè)螺栓的響應(yīng)數(shù)據(jù))，沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)采集記錄地螺栓力響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。

圖8 螺栓編號(hào)Fig.8 Serial number of bolts

圖9 螺栓力響應(yīng)(沖擊實(shí)驗(yàn))Fig.9 Response data of bolts (impact experiment)

圖10 螺栓力響應(yīng)(準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn))Fig.10 Response data of bolts (quasi-static experiment)

從沖擊失效實(shí)驗(yàn)中螺栓組螺栓力響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)可見(jiàn)，螺栓組在沖擊荷載下呈序列失效特點(diǎn)，這與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察的現(xiàn)象一致。結(jié)構(gòu)整體失效時(shí)程約20 ms左右，螺栓分布圓上側(cè)5個(gè)螺栓為初始承載失效螺栓，初始承載失效時(shí)程約5 ms左右，決定了連接結(jié)構(gòu)的抗沖擊強(qiáng)度。螺栓力響應(yīng)峰值在15.5 kN左右，由于螺栓組整體強(qiáng)度較低，沖擊荷載幅值較高，應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中的傳播及落錘碰撞過(guò)程中的振動(dòng)，導(dǎo)致響應(yīng)曲線(xiàn)存在明顯震蕩。此外，由實(shí)驗(yàn)效果可見(jiàn)，剪力銷(xiāo)和銷(xiāo)孔擠壓變形，說(shuō)明剪力銷(xiāo)承受較大剪切作用，這是響應(yīng)曲線(xiàn)中預(yù)緊力松弛現(xiàn)象的原因。

準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與加速度和時(shí)間無(wú)關(guān)，螺栓力響應(yīng)相對(duì)時(shí)間的數(shù)據(jù)規(guī)律不再具有參考價(jià)值，因此選取加載位移作為螺栓力響應(yīng)的參考尺度，圖10所示為螺栓力響應(yīng)- 加載位移曲線(xiàn)。由圖10可見(jiàn)，螺栓組螺栓從分布圓上側(cè)開(kāi)始依序承載失效，呈序列失效特點(diǎn)，螺栓組極限承載位移為26 mm左右，對(duì)應(yīng)加載力- 加載位移曲線(xiàn)中結(jié)構(gòu)失效的極限承載位移，說(shuō)明連接結(jié)構(gòu)整體承載能力由連接螺栓組決定。初始失效螺栓為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)螺栓，加載過(guò)程中幾乎同時(shí)失效，所以螺栓分布圓上側(cè)分布的7個(gè)螺栓是螺栓組初始承載失效螺栓，決定了連接結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)件在橫向準(zhǔn)靜載作用下的承載能力。單個(gè)螺栓極限荷載為14.5 kN左右，略低于M5螺栓實(shí)際抗拉強(qiáng)度，這一方面是由于實(shí)驗(yàn)螺栓失效位置是強(qiáng)度薄弱的螺紋與螺桿交界面，另一方面是實(shí)驗(yàn)中螺栓的實(shí)際受力模式是“拉彎耦合”作用，而不是單純的軸向拉伸作用。初始承載螺栓(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào))彈性和塑性階段對(duì)應(yīng)的加載位移比例約為1:2，螺栓斷裂前的塑性階段比較明顯，這與實(shí)驗(yàn)效果觀(guān)察到的斷口“頸縮”現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。后繼失效螺栓(5號(hào)、6號(hào)、7號(hào))對(duì)應(yīng)力響應(yīng)峰值階段明顯較長(zhǎng)，這可能是由于初始螺栓失效后隨著連接界面開(kāi)縫位移的增加，螺栓承受彎矩增大導(dǎo)致較大的螺桿彎曲造成的。初始承載螺栓(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào))對(duì)應(yīng)的承載時(shí)間略有差別，但同時(shí)斷裂失效，這可能是由于軸承鋼套筒傳感器應(yīng)變片粘貼的周向位置不同造成的。2號(hào)螺栓力響應(yīng)峰值較大，這是由于該組實(shí)驗(yàn)件材質(zhì)為標(biāo)號(hào)6061的鋁合金，該種材質(zhì)鋁合金延性較好，實(shí)驗(yàn)效果也觀(guān)察到法蘭盤(pán)在承載后產(chǎn)生塑性變形，這種塑性變形是初始螺栓承載均勻性降低導(dǎo)致的。

實(shí)驗(yàn)件螺栓組裝配時(shí)通過(guò)帶扭矩預(yù)警值的扭力扳手為單個(gè)螺栓施加了5 kN·m的預(yù)緊力，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀將電路信號(hào)歸零，螺栓加載斷裂后電壓信號(hào)歸為一個(gè)負(fù)電壓值，其對(duì)應(yīng)實(shí)際螺栓預(yù)緊力，即對(duì)應(yīng)螺栓力響應(yīng)曲線(xiàn)初始值。3次實(shí)驗(yàn)螺栓組預(yù)緊力水平實(shí)測(cè)值如表3所示。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)件橫向安裝于實(shí)驗(yàn)架，實(shí)驗(yàn)工裝自重導(dǎo)致螺栓組預(yù)緊力水平并不一致。因此，在下一步仿真模型中施加與實(shí)測(cè)值一致的預(yù)緊力水平，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)的模擬，由于8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)螺栓預(yù)緊力水平未測(cè)得，從上述分析可見(jiàn)，預(yù)緊力對(duì)螺栓組失效和連接結(jié)構(gòu)承載能力的影響很小，因此在模型中左右對(duì)稱(chēng)分布的螺栓施加相同的預(yù)緊力大小。

表3 預(yù)緊力水平Tab.3 Pretightening force kN

進(jìn)一步，對(duì)比沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)中的螺栓力響應(yīng)可見(jiàn)，螺栓組失效模式均呈序列失效特點(diǎn)，但在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中螺栓分布圓上側(cè)7個(gè)螺栓幾乎同時(shí)失效，序列失效存在明顯4個(gè)梯度，這與沖擊失效實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到的結(jié)果略有區(qū)別。從單個(gè)螺栓的響應(yīng)幅值看，不同加載速率下的響應(yīng)峰值分別為14.0 kN和16.0 kN左右，數(shù)值相差在15%以?xún)?nèi)，加載速率對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響(如“應(yīng)變率效應(yīng)”)尚且不顯著。同時(shí)考慮到本文的研究重點(diǎn)在仿真建模的流程上，因此在沖擊失效仿真模型的本構(gòu)關(guān)系選取上暫時(shí)不考慮“應(yīng)變率效應(yīng)”。

4 數(shù)值仿真對(duì)比

隨著數(shù)值仿真理論的成熟和計(jì)算機(jī)性能的提高，有限元方法在工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)件失效效果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Abaqus軟件建立了級(jí)間連接結(jié)構(gòu)失效的有限元仿真模型，如圖11所示。需要說(shuō)明的是，準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型是模擬結(jié)構(gòu)失效的關(guān)鍵，如前所述在參數(shù)設(shè)置中不考慮應(yīng)變率效應(yīng)，參考表2參數(shù)和試算結(jié)果，采用Abaqus塑性強(qiáng)化和剪切損傷本構(gòu)模型，其中斷裂應(yīng)變定義為0.2，損傷演化位移1.0. 此外，由于螺紋構(gòu)造復(fù)雜，網(wǎng)格質(zhì)量高、密度大，為保證計(jì)算效率，模型中將螺紋接觸狀態(tài)簡(jiǎn)化為“綁定”約束。

針對(duì)沖擊失效過(guò)程的模擬，第一步通過(guò)Abaqus/Standard隱式求解器的“螺栓載荷”模塊給螺栓組螺栓施加與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)一致的預(yù)緊力水平，第二步以“預(yù)定義場(chǎng)”的形式將生成預(yù)緊力水平的模型導(dǎo)入到“Abaqus/Explicit”顯式求解器對(duì)加載失效過(guò)程進(jìn)行模擬。為降低計(jì)算時(shí)間成本，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試算結(jié)果，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)設(shè)為12 ms時(shí)的結(jié)果能夠滿(mǎn)足精度對(duì)比和失效機(jī)理分析的要求。

圖11 有限元模型Fig.11 Finite element model

圖12 沖擊實(shí)驗(yàn)實(shí)際(上)與數(shù)值仿真效果(下)對(duì)比Fig.12 Comparison of actual results (upper) and simulated results (below) in impact experiment

沖擊失效實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示，可見(jiàn)仿真失效位置同樣為連接結(jié)構(gòu)螺栓組，呈序列失效特點(diǎn)，法蘭盤(pán)和工裝邊界無(wú)開(kāi)裂和變形，墊塊未見(jiàn)明顯變形，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。如圖13、圖14所示，從螺栓力時(shí)程響應(yīng)的仿真結(jié)果可見(jiàn)，響應(yīng)峰值在16.0 kN左右，與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)，連接界面開(kāi)縫位移時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)誤差在5%以?xún)?nèi)。從仿真螺栓響應(yīng)結(jié)果看，仿真失效時(shí)程略早于實(shí)測(cè)時(shí)程，這是由于仿真輸出的力響應(yīng)是通過(guò)輸出螺桿最外側(cè)單元的應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)換算得到，而最外側(cè)單元相對(duì)于整個(gè)螺桿最先達(dá)到失效閾值而失效。

圖13 螺栓響應(yīng)(沖擊失效仿真)Fig.13 Response curves of bolts (impact failure simulation)

圖14 開(kāi)縫位移仿真結(jié)果Fig.14 Simulated results of slotted displacement

對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)失效過(guò)程的模擬，首先通過(guò)“Abaqus/Explicit”顯式求解器“降溫法”給模型螺栓組施加與實(shí)測(cè)一致的預(yù)緊力水平，然后繼續(xù)通過(guò)顯式算法求解器對(duì)失效過(guò)程計(jì)算仿真。這里需要說(shuō)明的是，準(zhǔn)靜態(tài)分析是在保持慣性力影響不顯著的前提下縮短分析時(shí)間，研究表明，當(dāng)分析時(shí)間大于結(jié)構(gòu)第1階固有周期的10倍以上時(shí)慣性效率和應(yīng)變率效應(yīng)在動(dòng)力分析過(guò)程中就可以忽略不計(jì)而認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程[20]，通過(guò)試算，本文準(zhǔn)靜態(tài)分析時(shí)，通過(guò)“載荷”模塊定義作動(dòng)筒豎向位移35 mm，分析時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為0.2 s.

準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖15所示，仿真失效進(jìn)程圖16所示，可見(jiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，仿真失效位置同樣為連接結(jié)構(gòu)螺栓組，呈序列失效模式，法蘭盤(pán)和工裝邊界無(wú)開(kāi)裂和變形，墊塊未見(jiàn)明顯擠壓變形。仿真螺栓響應(yīng)結(jié)果如圖17所示，可見(jiàn)采用顯式算法施加螺栓組預(yù)緊力水平由于算法不穩(wěn)定性，存在明顯“震蕩”。從單個(gè)螺栓的失效進(jìn)程來(lái)看，其彈性階段對(duì)應(yīng)的加載位移范圍和塑性階段對(duì)應(yīng)的加載位移范圍比例約為1∶2，力響應(yīng)幅值在14 kN左右，這與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，誤差在5%以?xún)?nèi)。特別地，結(jié)構(gòu)失效仿真進(jìn)程的能量歷史如圖18所示，其中沙漏能和動(dòng)能占內(nèi)能的比例分別在5%和15%范圍內(nèi)，這說(shuō)明模型仿真過(guò)程中由于“沙漏效應(yīng)”產(chǎn)生的誤差在可控范圍內(nèi)，動(dòng)能項(xiàng)在動(dòng)力學(xué)分析中的影響不明顯，可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)加載失效效果。

圖15 準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)際(上)與數(shù)值仿真效果(下)對(duì)比Fig.15 Comparison of actual results (upper) and simulated results (below) in quasi-static experiment

圖16 仿真失效進(jìn)程(準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn))Fig.16 Failure process in simulation (quasi-static experiment)

圖17 螺栓響應(yīng)(準(zhǔn)靜態(tài)失效仿真)Fig.17 Response curves of bolts (quasi-static failure simulation)

圖18 結(jié)構(gòu)失效仿真進(jìn)程的能量歷史Fig.18 Energy vs. time in failure simulation

綜上所述，數(shù)值仿真模型在模擬連接結(jié)構(gòu)沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)荷載下失效進(jìn)程上具有良好的精度，在工程中可以認(rèn)為數(shù)值模型得到的結(jié)果是可靠的。

5 結(jié)論

本文依據(jù)彈(箭)級(jí)間螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，簡(jiǎn)化制作了兩組原理性實(shí)驗(yàn)件，設(shè)計(jì)進(jìn)行了沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)，并采用Abaqus軟件建立有限元仿真模型模擬失效進(jìn)程。得到了以下主要結(jié)論：

1)沖擊失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，橫向加載下連接結(jié)構(gòu)螺栓組呈序列失效模式，螺栓分布圓上側(cè)5個(gè)螺栓為初始承載失效螺栓，決定連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，單個(gè)螺栓由于法蘭盤(pán)“杠桿效應(yīng)”彎曲變形，呈“拉彎耦合”失效模式。

2)準(zhǔn)靜態(tài)失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，橫向加載下連接結(jié)構(gòu)螺栓組呈序列失效模式，螺栓分布圓上側(cè)7個(gè)螺栓為初始承載失效螺栓，決定連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，螺栓組序列失效存在明顯梯度順序。與沖擊失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，單個(gè)螺栓力響應(yīng)峰值區(qū)別不大，在分析沖擊加載響應(yīng)時(shí)，可暫不考慮由于動(dòng)態(tài)加載導(dǎo)致的“應(yīng)變率效應(yīng)”影響。

3)數(shù)值仿真在模擬連接結(jié)構(gòu)沖擊和準(zhǔn)靜態(tài)加載下失效進(jìn)程的效果上與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，在工程中可以認(rèn)為仿真結(jié)論是可靠的。