導(dǎo)彈螺栓聯(lián)接的CAE分析及預(yù)緊力研究

螺栓聯(lián)接是導(dǎo)彈艙段間聯(lián)接的一種常用形式。在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)中，由于性能的要求和幾何結(jié)構(gòu)尺寸的限制，一般采用小直徑的螺栓進(jìn)行聯(lián)接。當(dāng)施加扭矩時(shí)，若扭矩過(guò)大，螺栓易被扭斷，發(fā)生破壞；施加扭矩過(guò)小，在承受外載荷時(shí)，連接面發(fā)生間隙導(dǎo)致螺栓松動(dòng)。上述兩種破壞情況，輕則影響導(dǎo)彈性能，重則可引發(fā)導(dǎo)彈解體等重大事故，因此給螺栓施加的扭矩范圍在工程中引起了廣泛的關(guān)注，是螺栓預(yù)防松動(dòng)破壞的重要措施。
關(guān)于螺栓聯(lián)接受力分析的研究成果較為豐富，如文獻(xiàn)對(duì)螺栓聯(lián)接進(jìn)行有限元分析，考慮到接觸面間的摩擦系數(shù)，主要分析了螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在特定預(yù)緊力下的應(yīng)力分布情況，并沒(méi)有對(duì)螺栓在工作載荷作用下預(yù)緊力的范圍進(jìn)行討論；文獻(xiàn)從理論方面分析了各個(gè)等級(jí)的螺栓聯(lián)接所對(duì)應(yīng)預(yù)緊力的參考值，并沒(méi)有進(jìn)行CAE分析；文獻(xiàn)采用節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)模擬螺紋副的連接作用，對(duì)單個(gè)螺栓進(jìn)行有限元分析；上述研究成果對(duì)于螺栓的受力分析，尤其是基于有限元的仿真分析已經(jīng)較為詳細(xì)。然而對(duì)于導(dǎo)彈螺栓組聯(lián)接，由于導(dǎo)彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)1各部件分布不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)彈內(nèi)部質(zhì)量分布不可忽視，因此在承受彎矩外載荷時(shí)，不同部位的螺栓應(yīng)力分布有較大差異。另外，導(dǎo)彈所處環(huán)境惡劣，需要建立導(dǎo)彈全模型進(jìn)行分析，得到彎矩與預(yù)緊力組合載荷作用下螺栓的預(yù)緊力范圍，保證螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。
首先根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與強(qiáng)度理論確定一個(gè)初始預(yù)緊力范圍，以確保螺栓不發(fā)生松動(dòng)與屈服，考慮到螺栓連接面在彎矩作用下可能會(huì)發(fā)生松動(dòng)，因此對(duì)最小預(yù)緊力值進(jìn)行了理論優(yōu)化；然后應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)兩個(gè)重要艙段間（艙段1和艙段2）螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部靜力分析，進(jìn)一步校核預(yù)緊力范圍值；最后，結(jié)合工程實(shí)際，加載彎矩與預(yù)緊力組合載荷進(jìn)行有限元分析，根據(jù)螺栓的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)預(yù)緊力范圍進(jìn)行優(yōu)化。
根據(jù)GB/T30981-2000和GB/T3098.2-2000，選取性能等級(jí)為8.8的螺栓，其屈服極限σ=640MP，根據(jù)σ_s≤σ≤ 80%σ_s的設(shè)計(jì)要求，則等效應(yīng)力應(yīng)滿足 224MP<σ_s<512MP，分別取和代入算式可得初始預(yù)緊力范圍約為（6.5~14.8）N.M。對(duì)于承受彎矩載荷的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)，連接面可能由于螺栓預(yù)緊力過(guò)小發(fā)生間隙而導(dǎo)致松動(dòng)，因此需要對(duì)螺栓最小預(yù)緊力進(jìn)行優(yōu)化。螺栓承受彎矩聯(lián)接結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為承受預(yù)緊力與工作拉力的緊螺紋連接。這種緊螺栓聯(lián)接承受軸向拉伸載荷后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受到的總拉力并不等于預(yù)緊力和工作拉力之和，根據(jù)理論分析，螺栓的總拉力除了與預(yù)緊力 F₀、工作拉力F有關(guān)之外還受到螺栓剛度C_b以及被連接件剛度C_m等因素的影響。
為了防止連接面承受載荷后結(jié)合面之間產(chǎn)生縫隙，也就是防止松動(dòng)的原始發(fā)生，殘余應(yīng)力應(yīng)當(dāng)F₁>0。
將艙體1后端面所受到的最大彎矩T_m等效為作用為艙體1上的五對(duì)力偶，由于所施加的彎矩主要由艙段間十個(gè)螺栓來(lái)承受，這樣的等效是成立的。若十個(gè)螺栓所受彎矩相同，取出單個(gè)螺栓分析，則每個(gè)螺栓所承受工作拉力或者壓力可根據(jù)公式計(jì)算。這里取承受拉力的螺栓，將工作拉力代入公式可得。即當(dāng)對(duì)艙體1的后端面施加最大彎矩13143.8NM時(shí)，施加6.31 kN以上的預(yù)緊力可預(yù)防連接面發(fā)生間隙，防止松動(dòng)發(fā)生。由綜上可得，滿足設(shè)計(jì)要求以及艙段連接面不發(fā)生松動(dòng)的最小預(yù)緊力值應(yīng)為6.5kN，此時(shí)合適的預(yù)緊力范圍為(6.5-16)kN。

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