西南科技大学研究生创新基金资助项目申请书--张鹏.doc

项目编号 西南科技大学研究生创新基金资助项目申请书项目名称 12.9级轮毂螺栓的力学性能分析及其结构优化申请人姓名 张鹏 所在院系 制造科学与工程学院 联系电话指导教师 古忠涛 副教授 填表日期 2016年3月 西南科技大学研究生院一、基本情况姓 名张鹏学 号2014010037学 院制造专 业机械工程入学年级2014导师古忠涛电话（办）电话（手子信箱2237574509题 目12.9级轮毂螺栓的力学性能分析及其结构优化项目等级A一般项目 B重点项目项目类型A基础研究 B应用基础研究 C应用研究序项目组成员姓名学 号所在学院专 业职责分工1张鹏2014010037制造机械工程构建有限元模型2陈政果2014000269制造机械工程实验数据处理二、立项依据该项目的研究意义，国内外研究现状分析及主要参考文献研究意义：高强度螺栓作为一种紧固件，广泛应用于桥梁、交通工具和大型成套设备等各个方面。轮毂螺栓是车辆连接车轮的高强度螺栓，连接位置是车轮的轮毂单元轴承。一般微型车上用的是10.9级高强度螺栓，大中型车辆使用12.9级高强度螺栓。在先进制造技术作为重要发展方向的当代研究背景下，我国对高强度螺栓的应用研究有待进步。先进螺栓是高端机械制造之本，当今中国螺栓市场，从4.8级到6.8级的低强度螺栓，或从8.8级到12.9级的高强度螺栓，概括为低档次产品充斥主导市场，高档次、高精度、高强度螺栓仍有一小部分需要进口。可见，我国螺栓行业与美国、日本、韩国和台湾等地区的差距还比较大。对螺栓的研究可分为材料的研究、加工工艺的研究和力学性能的研究等方面，其中对螺栓力学性能的研究在这个研究领域占有相当重要的地位，而目前对螺栓连结副在实际工况下的力学性能的研究还不足。车轮螺栓连结副的失效将导致严重的后果。不但造成重大的财产损失，而且还存在人员伤亡的巨大风险。在汽车工业界，车轮螺栓连结副的失效问题一直以来困扰着众多该领域的工程师和技术人员。车轮螺栓连接副失效所导致的最主要危害是车辆在行驶过程中车轮飞出，进而酿成人员伤亡和财产损失的惨剧。美国每年发生1000多起车轮飞出事故，平均一周发生20起；而据不完全统计，我国每年发生400多起车轮飞出事故。对轮毂螺栓的研究直接关系到人们日常的交通行驶安全。总之，轮毂螺栓力学性能分析及其结构优化研究是一个同时具有基础性和创新性的课题。其研究有利于加强对实际工况中螺栓连接副的认识，减少轮毂螺栓在工作中的失效以及提高学术水平。国内外研究现状分析： 1929年，Den Hartog1对涡轮叶片连接螺栓的应力进行了研究，螺纹副承载分布特点开始受到广泛关注。1948年提出的Sopwith2法以及1980年发表的Yamatoto3法可以用于验证螺母轴力计算结果。1986年出版的德国工程师协会VDI2230准则，现在德国及其它地方被当作标准工作用于计算螺栓联接4。1943年，Heteny5采用应力冻结光弹性试验对比了6种不同螺母结构的应力分布，提出了通过改善螺母结构来改善螺纹副应力分布的有效方法。1985年，Kenny 6通过多条纹偏光镜和记录式显微密度计用应力冻结光弹法得到了公称直径为30 毫米螺纹副的承载分布。2008年，太原理工大学的雷宏刚利用ANSYS软件进行了高强度螺栓的疲劳缺口系数分析 7。2014年，中南大学何竞飞进行的螺栓联接的精确建模与有限元分析，证明了基于有限元软件ANSYS的精确模型仿真能提高分析螺栓联接负载分布规律的准确度 8。目前，螺纹副应力分布的研究方法主要包括解析法、实验法和有限元法等9。然而，人们对有限元等软件的利用还不够充分，对实际工作中螺栓的力学性能研究仍显不足。1994年，徐人平提出，增加螺纹小径，相应地可以增大螺纹牙底的圆弧半径，这样既可以降低轴向应力，又可以降低螺纹牙底的应力集中程度，提高螺栓疲劳强度可达20%40%10。1995年，N. A. Noda指出，在加工时可适当加大牙根圆角半径以减小应力集中 11 。2009年，工程上应用比较多的MJ螺纹 12。2010年，美国Alcoa公司最新研制了一种浅螺纹的螺栓，其螺纹根部的应力集中程度较传统三角形标准螺纹螺栓的螺纹根部应力集中程度降低了约27%13。而这些研究并没有结合实际工况，使得其研究结果缺乏一定的说服力。应力集中问题是螺纹副研究中最基本的，本课题在进行结构优化的时，会考虑到减小螺纹牙根部应力集中，结合实际工况分析螺纹副几何参数对螺纹副力学性能的影响。卜炎指出，普通螺栓螺纹副的载荷分布，第一、二圈螺纹承担约50%的载荷，其余各圈逐渐减小，最后几圈螺纹几乎不受力14。1991年，巴鹏研究了改变螺栓螺纹柔度对螺栓螺母连接中螺栓螺纹轴向载荷分布的影响，证明采用变径螺母螺纹副的螺纹联接比传统方式的强度能提高2倍15。1999年，孟兆明通过改变内螺纹轴向螺距的变化，优化了螺栓螺纹轴向载荷的分布16。2004年，天津科技大学苗德华应用有限元方法分别研究了柱形螺母，锥形螺母、异型螺母、三次曲线螺母对螺栓螺母联接中螺栓螺纹轴向载荷分布的影响 17。2015年，中南大学何竞飞研究了螺栓联接在偏心载荷下螺纹载荷分布规律，运用数值法，求得方程的近似解，导出了偏心载荷下螺纹副载荷分布的计算公式18。尽管对螺纹牙的载荷分布已有大量研究，并且已提出了部分合理的方案，但是不难发现尽管螺纹几何特性使得螺纹副力学性能达到要求，其加工难度还是很高的，不能实现大批量生产，也就是说这些方案大多数实用性较差。同样，这些研究并没有结合实际工况，使得其研究结果缺乏一定的说服力。因此本课题进行结构优化时，结合实际工况，提出一种分析螺纹副几何参数对螺纹副力学性能的影响的方法，来研究螺纹牙的载荷均匀分布。2008年，Bickford提到，随着循环次数的增加，螺栓联接力学行为发生变化，在一定时间累积后甚至导致螺栓联接的自松弛，是一个长期未解决的问题19。2008年，贵州大学王莉霞总结了目前螺纹防松方法，一般方法包括摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副运动关系防松等，先进方法有美国底特公司的自锁螺母技术，唐氏螺纹和液压防松螺母等20。2001年，唐宗才介绍了唐氏螺纹 21-22。20世纪70年代，美国底特律螺纹工具公司重新设计了螺纹的几何形状，即自锁螺旋线（SPL），从根本上解决了螺母的松动问题 23-25。2015年，东风柳州汽车有限公司陈跃华指出，施必牢螺母是一种新型的螺母，它的出现解决了长期困扰科学家的螺母易松动问题26。自锁螺旋线螺母不仅拥有良好的防松性能，在装配时，与之相配的普通螺栓在螺纹牙载荷均匀分布上也有很好地表现。但其装配时比一般螺纹副扭矩大，而且在螺纹副接触点存在明显的应力集中现象，螺纹牙载荷分布也不能达到完全的均匀。虽然，这些研究考虑到了实际工况对螺栓性能的影响，但其研究方法存在一定的局限性。基于以上几点，吸取自锁螺旋线螺母的优点克服其不足，优化螺栓螺纹副是必要的。此外，国内外学者就高强度螺栓氢脆效应27-32，螺栓的振动环境33-34和环境温度35-37，螺栓的材料和加工工艺38-39以及螺栓的设计安装方法40-43等对螺栓连接副力学性能的影响也进行了研究，而对实际工况中轮毂螺栓44-45的力学性能的研究还相对较少。同样，这里部分研究考虑到了实际工况对螺栓性能的影响，但其研究方法存在一定的局限性。总之，结合目前的对螺栓螺纹副的研究方法，考虑到当下几种新型螺纹副在应力集中、载荷均匀分布和防松性能等方面的优点与不足，以及目前对螺栓连结副在实际工况下的力学性能的研究还不足，拟将分析轮毂螺栓连接副几何参数对螺纹副力学性能的影响，并优化其几何参数。参考文献：1 Den Harzog J. P. The mechanics of plate rotors for turbo generators J. Trans. ASME, 1929, 51:1-10.2 Sopwith D. G. The distribution of load in screw threads J. Inst. Mech. Engrs. Appl. Mech. Proc., 1948, 159:373-383.3 Yamatoto A. The theory and computation of threads connection M. Tokyo: Yoke do, 1980.4 VDI22302003, Systematic calculation of high duty bolted jointsS.5 Heteny M. A. Photoblastic study of bolt and nut fastenings J. J. Appl. Mech., 1943, 10 (2):93-100.6 Kenny B, Patterson E. A. Load and stress distribution in screw threads J. Experimental Mechanics, 1985, 25(3):208-213.7 雷宏刚,裴艳,刘丽君. 高强度螺栓疲劳缺口系数的有限元分析J. 工程力学, 2008, 25(I): 49-53.8 何竞飞,杨鸣,万闯建. 螺栓联接的精确建模与有限元分析J. 机械设计与研究, 2014, 30(4): 62-65.9 陈海平,曾攀,方刚,雷丽萍. 螺纹副承载的分布规律J. 机械工程学报, 2010, 46(9): 171-178.10 徐人平,颜勇. 受拉螺栓的应变疲劳可靠性设计J. 强度与环境, 1994.4: 32-36.11 N. A. Noda, M. Sera, Y. Tadase., Stress Concentration Factors for Round and Flat Test Specimens with NotchesJ, Int J. Fatigue, 1995, 3: 163-178.12 孙小炎. MJ螺纹紧固件简介（一）J. 航天标准化, 2009, 1: 9-13.13 胡小山. 重载内燃机车活塞螺栓疲劳失效研究及其结构优化D. 上海:上海交通大学, 2012.14 卜炎. 螺纹联接设计与计算M. 北京: 高等教育出版社, 1995.7:12-15.15 巴鹏,左振国. 螺纹受力变形分析及等强度螺纹结构设计J. 机械设计与制造, 1991.6: 9-11.16 孟兆明,常德功. 等承载螺纹螺母的研制J. 冶金设备, 1999.4: 44-45.17 苗德华,白卫卫,徐苏阳. 局部载荷对螺纹根部应力分布的影响J. 天津科技大学学报, 2004, 19(4): 34-37.18 何竞飞,万闯建,杨鸣,潘祺. 螺栓联接在偏心载荷下螺纹载荷分布规律研究J. 机械科学与技术, 2015, 34(8): 1149-1152.19 John H. Bickford. Introduction to the design and behavior of bolted joints. 4th edM. New York: Taylor & Francis Group, 2008.20 王莉霞,马玉钦,李亚青. 螺纹联接防松综述J. 贵州工业大学学报（自然科学版）,2008,37(6):21-24.21 唐宗才. 唐氏螺纹及其防松原理J. 机械工程师,2001.6:21-23.22 孙峰,唐宗才. 唐氏螺纹的防松原理及效果J. 机械工程师,2002.5:13-15.23 上海底特精密紧固件有限公司. 美国施必牢独资公司有关技术资料S.24 曹亦清. 10级BY型防松螺母运用中存在问题的原因分析与建议J. 铁道车辆,2007,45(2):34-37.25 刘荣清,秋黎凤. 自锁螺母的原理及应用J. 纺织器材,2008,35:52-54.26 陈跃华. 浅谈施必牢螺母的应用条件J. 中国高新技术企业,2015,5(320):92-93.27 Jong Oh Ham. Evaluation method of sensitivity of hydrogen embrittlement for high strength bolts J. Materials Science & Engineering A, 2013:83-89.28 Roy G. Beggarly. 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