螺栓-法兰连接结构研究进展综述

【摘要】螺栓法兰结构以其构造简单、可靠性性能优良的特点被广泛应用于航空航天、核能等工业领域中。在连接面处，由于预紧力、摩擦力、拉压受力分布不均使得螺栓连接的工作状态相对复杂。本文首先介绍螺栓法兰连接结构研究中发现的接触、摩擦等工程现象和对该类问题的研究思路，然后对螺栓法兰连接结构相关研究成果进行介绍，最后对该结构特性研究进行总结与展望。

【关键词】螺栓法兰连接接触非线性动力学

一、引言连接是结构系统中的非线性环节，也是大型工程结构动力学问题研究的薄弱环节。连接贡献了结构系统９０％的能量耗散，造成系统刚度的不连续和非线性。连接是工程结构中最重要的环节，也是工程结构中“最脆弱”的环节。螺栓连接是工程结构中最常使用的可拆式连接。从预紧力开始施加的时刻，预紧力就和所设计的期望值发生了“偏离”。普通的力矩扳手的误差可能高达２０－３０％。之后，蠕变、松弛、振动、过载、温度等各种使用环境都会造成预紧力的损失，预紧力的损失可能进一步导致连接接合面接触压力和摩擦状态的变化，从而降低界面的载荷传递能力，出现分离、导致密封失效，磨损或腐蚀等等机械和物理性能状态的变化，这就是结构连接损伤问题。

二、螺栓法兰连接结构概述螺栓法兰连接，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，管道法兰是指

管道装置中配管用的法兰，用在设备上是指设备的进出口法兰。法兰上均匀分布有孔眼，螺栓使两法兰紧连。如结构需要密封，法兰间一般还要加入密封衬垫。如图１：图１典型螺栓法兰连接结构三、接触与摩擦将有限单元法应用于处理接触问题始于上世纪六十年代。１９７０年，。

ｅｒｓｏｎ和Ｗｉｌｓｏｎ提出了二维弹性体无摩擦条件下接触的有限元解法。随后，Ｃｈａｎ和Ｔｕｂａ、Ｏｈｔｅ等先后将有限元解法扩展到带有Ｃｏｕｌｏｍｂ摩擦的二维和轴对称弹性接触问题中。由于接触过程通常依赖于时间，并伴有材料非线性与几何非线性；而接触的区域、形状和接触面上力与运动状态不断随载荷变化，因此，接触问题通常要采用增量方法求解。Ｔｕｓｔａ等人在１９７３年提出了基于载荷增量理论的有限单元法。

初步解决了含摩擦接触问题加载过程中的不可逆性。１９７６年。

Ｆｒｅｄｒｉｋｓｓｏｎ通过理论推导建立了接触弹性体的增量控制方程。１９７９年，Ｏｋａｍｏｔｏ和Ｎａｋａｚａｗａ等以虚功原理为基础建立了增量方程和有限元解法。１９８３年Ｍａｚｕｒｋｉｅｗｉｃｚ等在接触点对之间建立力与位移的刚度方程，解决了有间隙的摩擦接触问题。

目前基于等式变分框架的数值计算方法是求解复杂工程实际问题中螺栓－法兰结构这类问题的主要手段。

四、连接损伤螺栓连接是工程结构局部非线性和无源阻尼的主要

来源。连接损伤必然会引起结构刚度、阻尼等动力学特征的改变。首先要考虑采用结构的模态参数，如固有频率、模态振型、振型斜率等作为表征连接损伤的特征参数，并且这些参数已在大型土木工程结构的健康监测领域获得了成功应用。但是，正如Ｍ．Ｄ．Ｔｏｄｄ研究所指出，反映结构整体动力学特征的模态参数对连接损伤很不敏感，除非损伤演化至足以引起结构特征模态明显改变的程度。这是因为在工程结构服役的大多数时间内，连接损伤通常只发生在少数连接部位的少数螺栓上，具有明显的局部性特点；整体连接的紧固力下降不显著，损伤量级小，其根本不足以引起结构整体动力学特性的明显变化。因此，采用结构整体模态特性作为监测螺栓连接损伤的特征参数并不可行，且高频局部模态的激励和测量都还存在很大困难。因此，基于结构模态参数的健康监测方法对螺栓连接健康监测问题适用性差。此外，利用结构动力响应信息识别模态参数的过程，实际上隐含了对系统线性化的假设，忽略了连接结构非线性的本质，方法本身存在着不足。

五、热－接触耦合考虑传热－接触耦合作用的热力学分析是计算力学领域富有挑战性的课题。Ｗｒｉｇｇｅｒｓ等研究了界面的热力学摩擦特性及本构关系；Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ等给出热接触问题模型的数学描述；Ｗｒｉｇｇｅｒｓ等给出热摩擦接触问题的有限元求解模型，对两类问题均采用迭代分析技术进行求解；Ｊｕｎ。

ａｒｋ则以互补关系进行热接触问题的求解，特点是对热接触面给出以热流与温度差为变量的互补关系，但这在另一方面使接触面的

传热条件过于严格与保守，无法考虑接触间隙介质可能进行的热交换形态。首先建立接触面热交换与温度关系模型，然后模拟间隙内介质的导热特性；采用迭代过程进行耦合问题求解，实际计算表明这种迭代过程在通常情况下有很好的收敛特性。

六、线性与非线性在连接中刚度非线性的研究居于大量和主要的位置。早期，连接的造成的刚度分布不连续性被首先考虑。用无质量弹簧建模连接结构的方法被成功建立和使用。弹性刚度参数可通过静力试验、有限元接触静力分析确定或者利用结构振动特性进行参数辨识而获得。而此类模型的主要区别集中于用了什么形式的弹性刚度方程而已，要么是线性的，要么是非线性的，而非线性的又大量使用了分段线性模型。各个方向上的连接刚度模型一般是解耦的，分别用独立弹性模拟。

获得模型参数之后，这类模型和整体结构其余部分模型（连接质量被考虑入附近被连接结构中）一起构成了整体结构的线性化或包含局部弹簧非线性的计算模型，可用于整体结构静、动力学行为的分析。

七、总结与展望连接结构动力学问题的研究一般可分为两个思路：一是关注连接界面的真实物理行为，想办法通过理论、实验或数值的方法揭示出动力学环境下，结合面上到底发生了什么；另一种就是从含连接结构动力学的角度，关注含连接结构的整体动力学响应，从整体动力学角度考察连接对整体动力行为的影响。前者希望建立一个描述物理现象的模型；后者则需要一个唯物现象的数学模型。

连接问题属于机械界面问题，是力学和机械工程领域的传统难

题。

从实践上看，目前迫切需要解决的连接结构动力学问题有：（１）机械界面摩擦行为的动力学建模；（２）机械界面间隙／碰撞的动力学建模；（３）机械界面的波传建模；（４）机械界面多向耦合的动力学建模；（５）含连接的高维系统的非线性动力学；（６）连接模型与现有线性结构动力学有限元计算程序的综合问题；（６）振动过载复合环境下连接结构的状态监测；（７）连接结构的健康监测等。连接问题的研究需要机械工程领域的摩擦学研究及力学领域的固体接触力学研究协同推进，有待于新的思路和方法的进一步研究。

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