1.3.2 螺栓結合部的試驗研究

早在1957年，Schlosser就開始對螺栓結合部進行試驗研究，Schlosser使用較小的試件進行試驗，并得出接觸剛度隨著接觸面積的增加而增大，在法向載荷下，接觸面積和接觸模型對法向接觸剛度有著重要影響。Plock等人使用較大的試件進行試驗，也得出了同樣的結論，并在此基礎上得出了螺栓結合部剛度隨著試件尺寸的增加而增大，通過改變接觸的模型也可能一定程度上改變結合部剛度的結論。

1977年，日本學者堤正臣等人對螺栓結合部進行了動態試驗研究，得到了遲滯曲線，并提出螺栓結合部的阻尼是由結合面的相對微觀運動引起的結論。到20世紀80年代，蘇聯學者針對螺紋結合面做了大量的試驗，經過分析得出了由于螺紋接觸面的摩擦及相對運動而產生了阻尼，并解析得出了螺紋處的阻尼系數。

增加結合面的阻尼可以減小機械結構的振動響應、應力和噪聲，C.F.Beards發現結合面的阻尼主要源于接觸面的滑移，他通過控制接觸面的滑移來研究阻尼，通過疊加板來增大摩擦阻尼，取得顯著的成效，得出螺栓結合部存在著一個最佳預緊力使得阻尼值最大的結論。Shin等人試驗分析了螺栓預緊力和阻尼的關系,得出了可通過調控預緊力或改變接觸表面來控制阻尼大小的結論。

戴聞、劉強等人通過對螺栓結合部的錘擊試驗得出以下結論：①螺栓結合部的剛度隨螺栓預緊力的加大而增大；②不同的結合面材料配對，其結合面剛度和阻尼隨著材料的剛度和阻尼增大而增大；③增加螺栓排列數目和加大螺栓規格，其結合面接觸剛度和阻尼隨之呈增大趨勢，但變化并不明顯。

西安理工大學的惠燁、黃玉美等人設計了一套螺栓結合部切向試驗裝置，通過試驗得出了在切向載荷不超過最大靜摩擦力的情況下,螺栓結合面切向變形與外載荷呈線性關系的結論。

法國學者Chaima Hammami等認為改變螺栓結合部的剛度容易，而改變其阻尼特性較為困難，他們在考慮了耦合作用的前提下，設計了一種用于改變螺栓結合部的黏性阻尼的阻尼層，來確保螺栓結合部能消耗足夠的能量。在螺栓結合部設計時，應先考慮滿足螺栓結合部的動態特性，再想辦法滿足螺栓結合部的靜態特性。

北京交通大學的安偉偉等人采用LMS Test.Lab對螺栓結合部進行模態試驗分析,獲得了系統的六階固有頻率和振型,將螺栓結合部法向的彈簧阻尼器等效模型改進為如圖1-3b所示的切向、法向彈簧阻尼器模型，應用ANSYS Workbench有限元軟件進行模態分析也計算出六階振型和固有頻率，通過對比仿真計算的結果和試驗測得的結果，識別出了螺栓結合部的動剛度。

北京工業大學的蔡力鋼、郝宇等人建立了法向靜態拉伸試驗裝置，裝配圖如圖1-4a所示，測試過程如圖1-4b所示。由于結合面靜剛度與聯接方式、被聯接段剛度、結合部剛度密切相關，很難直接測量，故依托螺栓結合面剛度、被聯接件剛度、結合部剛度三者間的串聯倒數關系，將螺栓結合面法向靜態接觸剛度從螺栓結合部整體靜剛度中分離出來，建立被聯接段剛度解析公式，繪制出螺栓結合面面壓與螺栓結合面法向靜態接觸剛度的關系曲線。

Melih Eriten等學者以螺栓結合部為例，研究了基于遲滯曲線環法（直接法）和接觸共振法（間接法）進行結合面切向剛度和阻尼特性識別的方法，通過對比試驗發現直接法更適合于弱聯接結合部，間接法更適合于強聯接結合部。

H.Ouyang等人通過螺栓結合部動態試驗，發現螺栓結合部在時域存在宏觀移動和微觀滑移現象，并測試出不同螺栓預緊力下的螺栓結合部扭轉方向的遲滯曲線，從遲滯曲線可以清楚地看到螺栓結合部從線性黏性阻尼到非線性滑移的變化過程，得出螺栓結合部產生的角位移受螺栓預緊力與激振頻率影響的結論。

L.Heller等人基于小波變換識別組合結構的等效模型參數，通過對含兩個螺栓結合部的組合梁進行了試驗研究，分析了結合面接觸面壓及面積對組合結構特性的影響。

陳學前、杜強等人設計了螺栓結合部試驗系統，通過不同激勵下的正弦掃頻試驗發現其隨著激勵量級的不同，呈現出較明顯的非線性特性，進而將螺栓結合部等效為非線性彈簧質量阻尼器模型，利用試驗數據對非線性方程中的系數進行識別，推算出了螺栓結合部的共振頻率與相對阻尼系數。

隨著科技的發展，出現了新的測量儀器，為螺栓結合部的研究提供了新的條件。Marshall 采用一種非接觸式超聲波技術，定量分析螺栓結合部的接觸面積和面壓的分布信息，確定了一系列不同螺栓預緊力作用下界面的壓力分布，與以往的測試相比，這種方式的測試結果同真實的接觸壓力分布相一致，使得測試技術上了一個新臺階。Massimiliano Pau等學者通過對螺栓結合部4種測量技術——光彈技術、放射自顯影技術、壓敏片技術和超聲波技術的優缺點分析，提出使用改進的超聲波測量方法掃描螺栓結合部的接觸面，結果如圖1-5所示。展示了螺栓結合部的接觸狀態，接觸面的應力分布不規則，得出接觸表面上的應力從螺孔開始沿徑向逐步減小的結論。與接觸式測量技術相比，超聲波檢測不會改變結合面的接觸特性，能獲得很好的檢測精度，它的測量精度受超聲探頭的大小、頻率、焦距等參數的影響。

通過以上螺栓結合部試驗研究現狀可以看出，目前主要是針對一個具體螺栓結合部結構開展的試驗研究，試驗結果只能應用于特定模型，如果模型有所變化的話，可能導致結果發生顯著變化。相關的試驗方法可以借鑒，但試驗結果缺乏通用性，難以推廣應用。