在螺纹面磨损引起螺栓松动的过程中,螺栓夹紧力缓慢且持续地降低,并且不伴随螺栓松转。由于螺栓未发生松转,监测人员不容易及时发现此类松动。如果可以准确预测松动过程中螺栓夹紧力随循环周次的变化情况,即,螺栓松动曲线,则可获取不同残余螺栓夹紧力对应的螺栓松动寿命,从而确定螺栓检修或更换的间隔,另外也可用于螺栓载荷、结构及材料参数的优化设计。特别是,对于大尺寸的螺栓,受到试验机加载能力的限制,采用试验的方法测试和分析螺栓此类松动问题的难度大,只有通过仿真计算的方法才有可能对这种螺栓松动问题进行研究。虽然微动磨损已经被试验证实可以引起螺栓松动,但目前用来模拟螺栓松动的仿真模型尚未考虑螺纹面磨损的影响。因此,建立一种预测螺纹面磨损引起的螺栓松动寿命仿真计算模型成为行业需求。本文开展了横向载荷作用下的螺栓松动试验,测试观察了螺纹面微动损伤及螺栓夹紧力的变化情况,在此基础上,建立了考虑螺纹面磨损的螺栓松动仿真计算模型,模拟了螺栓的松动过程。然后,采用该模型模拟了不同载荷、结构及材料参数条件下螺栓的松动过程,对上述影响螺栓松动的参数进行了优化。本文完成了以下4部分内容,获得的相应结果和结论如下:(1)横向载荷作用下螺栓松动试验为掌握横向载荷作用下螺纹面磨损引起螺栓松动现象的规律,并为后续的仿真计算提供试验验证依据,本研究开展了横向载荷作用下螺栓松动中断试验,以及不同载荷、结构及材料参数条件下的螺栓松动试验,观察测试了螺纹面微动损伤及螺栓夹紧力的变化情况。结果表明,在横向载荷的反复作用下,螺纹面产生大量红棕色磨屑,并且螺纹面磨损伴随严重的氧化,磨损机制复杂,包括氧化磨损、剥层磨损以及疲劳磨损等。随着循环周次的增加,螺纹面微动磨损程度逐渐增大,螺栓夹紧力逐渐降低,并且降低的速度逐渐减小。此外,预夹紧力越大、横向位移幅值越小、螺距越大、螺牙表面硬度越高,螺纹面微动磨损程度越低,螺栓夹紧力降低程度越低。(2)基于螺纹面磨损的螺栓松动数值模型参照预紧后螺栓连接结构的变形情况,建立了考虑螺纹面磨损深度变化的螺栓结构刚度模型,采用迭代计算数值模拟了螺纹面磨损引起的螺栓松动过程。结果表明,随着累积滑移距离的增加,预测的螺纹面磨损深度逐渐增加,螺栓夹紧力降低,并且降低速度逐渐减小。螺纹面磨损减小了螺栓连接结构各部分的变形位移,释放了结构的变形力,导致螺栓夹紧力降低。螺纹面损伤及螺栓夹紧力的变化趋势均与前述试验结果相符,但由于数值仿真模型简化了螺栓结构,该模型只能定性地模拟螺纹面磨损引起的螺栓松动过程。(3)基于螺纹面磨损的螺栓松动有限元模型为定量地模拟螺纹面磨损引起的螺栓松动过程,建立了考虑螺纹面磨损轮廓演化的螺栓松动有限元仿真计算模型,采用该模型仿真计算了螺栓松动过程螺纹面磨损深度、接触参量与螺栓夹紧力的变化。结果表明,随着循环周次增加,仿真预测的螺纹面磨损深度逐渐增加,螺栓夹紧力逐渐降低。螺纹面微动磨损引起接触应力沿径向和周向分布和大小的变化,以及螺纹面滑移距离的增加,从而进一步改变螺纹面径向和周向磨损深度的分布和大小。仿真预测的螺纹面磨损深度和螺栓夹紧力下降程度随加载循环周次的变化规律与试验结果一致,但由于该模型未考虑螺纹面磨屑的堆积,仿真预测的磨损深度和夹紧力降低程度均大于试验结果。根据该模型预测的螺栓松动曲线,可以得到一定松动失效判据条件下对应的循环周次,即,螺栓松动寿命。(4)基于有限元仿真的螺栓载荷、结构及材料参数优化基于螺栓松动有限元仿真计算模型,从微动磨损的角度,对螺栓预夹紧力、横向位移幅值、螺距以及螺牙表面硬度进行了优化,以改善螺栓抗松动能力。结果表明,在更大预夹紧力、更小横向位移幅值、更大螺距、以及更高表面硬度条件下,螺纹面间的相对滑移被抑制,从而降低了螺纹面的磨损程度,改善了螺栓抵抗松动的能力。仿真预测的螺纹面磨损程度及螺栓夹紧力降低程度随上述影响参数变化的规律与前述试验结果均一致,这验证了本文建立的有限元仿真模型在螺栓松动影响参数优化中应用的可行性。综上所述,本文建立了一种基于螺纹面磨损的螺栓松动有限元仿真计算模型,该模型可初步用于螺栓松动寿命的预测,也可以用于螺栓载荷、结构及材料参数的优化。在下一步工作中,模型中需要考虑磨屑堆积,从而进一步提高模型预测的准确性。