1.3.2 螺栓结合部的试验研究

早在1957年，Schlosser就开始对螺栓结合部进行试验研究，Schlosser使用较小的试件进行试验，并得出接触刚度随着接触面积的增加而增大，在法向载荷下，接触面积和接触模型对法向接触刚度有着重要影响。Plock等人使用较大的试件进行试验，也得出了同样的结论，并在此基础上得出了螺栓结合部刚度随着试件尺寸的增加而增大，通过改变接触的模型也可能一定程度上改变结合部刚度的结论。

1977年，日本学者堤正臣等人对螺栓结合部进行了动态试验研究，得到了迟滞曲线，并提出螺栓结合部的阻尼是由结合面的相对微观运动引起的结论。到20世纪80年代，苏联学者针对螺纹结合面做了大量的试验，经过分析得出了由于螺纹接触面的摩擦及相对运动而产生了阻尼，并解析得出了螺纹处的阻尼系数。

增加结合面的阻尼可以减小机械结构的振动响应、应力和噪声，C.F.Beards发现结合面的阻尼主要源于接触面的滑移，他通过控制接触面的滑移来研究阻尼，通过叠加板来增大摩擦阻尼，取得显著的成效，得出螺栓结合部存在着一个最佳预紧力使得阻尼值最大的结论。Shin等人试验分析了螺栓预紧力和阻尼的关系,得出了可通过调控预紧力或改变接触表面来控制阻尼大小的结论。

戴闻、刘强等人通过对螺栓结合部的锤击试验得出以下结论：①螺栓结合部的刚度随螺栓预紧力的加大而增大；②不同的结合面材料配对，其结合面刚度和阻尼随着材料的刚度和阻尼增大而增大；③增加螺栓排列数目和加大螺栓规格，其结合面接触刚度和阻尼随之呈增大趋势，但变化并不明显。

西安理工大学的惠烨、黄玉美等人设计了一套螺栓结合部切向试验装置，通过试验得出了在切向载荷不超过最大静摩擦力的情况下,螺栓结合面切向变形与外载荷呈线性关系的结论。

法国学者Chaima Hammami等认为改变螺栓结合部的刚度容易，而改变其阻尼特性较为困难，他们在考虑了耦合作用的前提下，设计了一种用于改变螺栓结合部的黏性阻尼的阻尼层，来确保螺栓结合部能消耗足够的能量。在螺栓结合部设计时，应先考虑满足螺栓结合部的动态特性，再想办法满足螺栓结合部的静态特性。

北京交通大学的安伟伟等人采用LMS Test.Lab对螺栓结合部进行模态试验分析,获得了系统的六阶固有频率和振型,将螺栓结合部法向的弹簧阻尼器等效模型改进为如图1-3b所示的切向、法向弹簧阻尼器模型，应用ANSYS Workbench有限元软件进行模态分析也计算出六阶振型和固有频率，通过对比仿真计算的结果和试验测得的结果，识别出了螺栓结合部的动刚度。

北京工业大学的蔡力钢、郝宇等人建立了法向静态拉伸试验装置，装配图如图1-4a所示，测试过程如图1-4b所示。由于结合面静刚度与联接方式、被联接段刚度、结合部刚度密切相关，很难直接测量，故依托螺栓结合面刚度、被联接件刚度、结合部刚度三者间的串联倒数关系，将螺栓结合面法向静态接触刚度从螺栓结合部整体静刚度中分离出来，建立被联接段刚度解析公式，绘制出螺栓结合面面压与螺栓结合面法向静态接触刚度的关系曲线。

图1-3 螺栓结合部动力学模型的改进

图1-4 法向静态拉伸试验

1—螺杆 2—上试件 3—高强度螺栓组件 4—无孔定位法兰5—电涡流位移传感器 6—有孔定位法兰 7—下试件

Melih Eriten等学者以螺栓结合部为例，研究了基于迟滞曲线环法（直接法）和接触共振法（间接法）进行结合面切向刚度和阻尼特性识别的方法，通过对比试验发现直接法更适合于弱联接结合部，间接法更适合于强联接结合部。

H.Ouyang等人通过螺栓结合部动态试验，发现螺栓结合部在时域存在宏观移动和微观滑移现象，并测试出不同螺栓预紧力下的螺栓结合部扭转方向的迟滞曲线，从迟滞曲线可以清楚地看到螺栓结合部从线性黏性阻尼到非线性滑移的变化过程，得出螺栓结合部产生的角位移受螺栓预紧力与激振频率影响的结论。

L.Heller等人基于小波变换识别组合结构的等效模型参数，通过对含两个螺栓结合部的组合梁进行了试验研究，分析了结合面接触面压及面积对组合结构特性的影响。

陈学前、杜强等人设计了螺栓结合部试验系统，通过不同激励下的正弦扫频试验发现其随着激励量级的不同，呈现出较明显的非线性特性，进而将螺栓结合部等效为非线性弹簧质量阻尼器模型，利用试验数据对非线性方程中的系数进行识别，推算出了螺栓结合部的共振频率与相对阻尼系数。

随着科技的发展，出现了新的测量仪器，为螺栓结合部的研究提供了新的条件。Marshall 采用一种非接触式超声波技术，定量分析螺栓结合部的接触面积和面压的分布信息，确定了一系列不同螺栓预紧力作用下界面的压力分布，与以往的测试相比，这种方式的测试结果同真实的接触压力分布相一致，使得测试技术上了一个新台阶。Massimiliano Pau等学者通过对螺栓结合部4种测量技术——光弹技术、放射自显影技术、压敏片技术和超声波技术的优缺点分析，提出使用改进的超声波测量方法扫描螺栓结合部的接触面，结果如图1-5所示。展示了螺栓结合部的接触状态，接触面的应力分布不规则，得出接触表面上的应力从螺孔开始沿径向逐步减小的结论。与接触式测量技术相比，超声波检测不会改变结合面的接触特性，能获得很好的检测精度，它的测量精度受超声探头的大小、频率、焦距等参数的影响。

通过以上螺栓结合部试验研究现状可以看出，目前主要是针对一个具体螺栓结合部结构开展的试验研究，试验结果只能应用于特定模型，如果模型有所变化的话，可能导致结果发生显著变化。相关的试验方法可以借鉴，但试验结果缺乏通用性，难以推广应用。