极端振动与交变温度耦合作用下紧固件的松动失效机理研究

Fastener on aerospace vehicle needs to withstand abnormal complex and extremely harsh mechanical environments and thermal environment during its service. The failure of fastener will lead to disastrous consequences in space launch, causing huge economic losses. However, the research on fastening loosening failure in vibration and extreme temperature alternation environment has not been found in literature. This project is applied for satisfying the urgent demands of preventing aerospace fastener from loosing in extreme service environment. High precision finite element analysis technique for simulating the anti loosening performance of fastener is to be developed, solving problem of 3D dynamic simulation of thread structure stress process. The simulation calculation and experimental study on fasteners tightening torque relaxation process will be carried out to reveal the loosening failure mechanism of fastener under vibration/extreme alternating temperature coupling load. The anti loosing performance will be accurately predicted for various specifications fasteners. Aimed at optimization anti loosing performance, the optimal design method of fastener structure is to be established systematically, to fill up domestic blank on independent design ability for fastener. Valuable theoretical basis and key technology will be provided to enhance the reliability of fastener in aerospace industry.

航天用紧固件在服役过程中要经受异常复杂和极端苛刻的力学环境与热环境，紧固件一旦失效将给航天发射带来灾难性的后果，造成巨大的经济损失。该申请项目以航天紧固件抗振防松设计的迫切需求为背景，发展可用于紧固件防松性能模拟的高精度有限元分析技术，解决三维螺纹结构动态受力过程的模拟计算难题；开展紧固件预紧力矩松弛过程的仿真计算和试验研究，揭示紧固件在振动/极端交变温度载荷耦合作用下的松动失效机理，实现对各类紧固件防松性能的准确预测；以抗振防松性能为优化目标，系统的建立紧固件结构的优化设计方法，填补目前国内紧固件自主设计能力的空白，为航天工程中的紧固件可靠性提升提供有价值的理论基础和关键技术。

青年自然科学基金项目“振动与极端交变温度耦合作用下紧固件松动失效的力学机理”（基金编号为11602031）项目研制周期为2017年1月至2019年12月。主要完成了螺纹扭拉关系研究文献调研、螺纹扭拉关系理论研究、三维螺纹结构有限元建模分析方法研究、螺纹承载及旋合过程有限元模拟、交变温度环境下螺纹预紧力矩松弛机理研究、梯形螺纹缓释解锁装置的仿真分析等几部分工作。.其中扭拉关系理论和螺纹三维建模方法是研究的理论基础和工具基础，以此为基础研究了螺纹承载及旋合过程以及在力学及温度环境下螺纹松脱的的失效机理，最后针对一种特殊的梯形螺纹装置进行了综合仿真分析及优化设计。本项目围绕紧固件振动/极端交变温度耦合作用下松动失效力学机理这一核心科学问题开展研究工作，而且该问题是航天航空重大工程中亟待解决的共性力学难题。项目组通过理论及仿真分析技术的创新，建立了一种兼具高精度和高效率的紧固件螺纹仿真模拟方法，系统研究螺栓预紧及松弛过程中紧固件的静、动力学行为，揭示振动/极端交变温度耦合作用下紧固件预紧力矩松弛机理，并将开展试验对计算分析模型进行验证和修正。最后以紧固件振动松动过程的高精度仿真分析为基础，将结构优化方法引入，实现新型紧固件的优化设计，大幅提升紧固件防松性能。