綜合集成桅桿螺栓連接方式研究

王曉俠 江 帆 蘇羅青 孫 超 楊文山

1上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913

2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈 爾濱 150001

綜合集成桅桿螺栓連接方式研究

王曉俠1江 帆2蘇羅青2孫 超2楊文山2

1上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海 201913

2哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈 爾濱 150001

應用ANSYS軟件對綜合集成桅桿中復合材料和鋼材連接部位進行應力分析，采用接觸單元模擬螺栓的接觸問題。根據6種工況的結果對比分析得出，非等距螺栓布置對降低玻璃鋼孔和螺栓的應力水平效果顯著，由此得出最優化設計——螺栓間距成比例布置，最優比例為1∶1.2。采用S-N曲線對玻璃鋼孔和螺栓疲勞壽命進行了研究。結果表明：成比例間距螺栓布置方式對延長疲勞壽命有益處。

綜合集成桅桿；疲勞壽命；螺栓；成比例布置；玻璃鋼；不均勻系數；

1 引言

在現代艦艇中，為了雷達和電子通信系統達到安裝要求和技術性能的最佳化，使其必須置于綜合集成桅桿上。同時由于桅桿常常處于艦艇結構的最高位置，其隱身性能的好壞直接關系到全艦隱身性的優劣，綜合集成桅桿能顯著提高艦艇的隱身效果［1］。在國外，綜合集成桅桿已廣泛應用。在國內，綜合集成桅桿的研究還處于起步階段，相關部門開展了概念設計研究。

綜合集成桅桿雷達罩頂部由復合材料構成，下部則是由鋼結構組成。復合材料與剛結構的連接部位通常是復合材料結構靜強度和疲勞強度的薄弱環節，這是由于復合材料具有各向異性和脆性的特點，使復合材料連接部位應力集中嚴重。要提高綜合集成桅桿的使用性能，必須很好的處理連接問題。連接設計所要解決的問題是將異種材料有效地連接在一起，連接接頭應能有效傳遞載荷，同時盡可能減小連接區域的應力集中［2］?；谶@種要求和工程經驗，螺栓連接是最可行的方式。

當前，國內外螺栓連接的研究很多，但涉及在復雜載荷下，玻璃鋼與鋼結構機械連接的研究還是很少。采用螺栓連接時，要對孔洞區域進行細致的應力分析。然而，影響螺栓連接帶孔板和螺栓應力分布的因素很多，如板的厚度、孔的形狀和方位，螺栓的材料等，因此分析時要考慮各因素對復合材料板應力的影響，了解其影響規律，才能為設計工作提供指導。本文就螺栓的排列方式進行了研究探索。由于螺栓在構件上的排列應該考慮受力要求、構造要求和施工要求，所以在進行螺栓連接設計或制作時，螺栓的最大和最小容許距離應滿足《鋼結構設計規范》。本文所采用的結構模型符合相應規范，并對等間距螺栓排列進行分析，提出優化方案—非等間距螺栓排列，旨在對工程研究有所借鑒之處。

2 有限元模型的建立

綜合集成桅桿是多邊形筒型對稱結構，本文計算模型是綜合集成桅桿的某一受風面簡化而成，由玻璃鋼板、鋼板和螺栓構成。其中螺紋規格為d＝M20、性能等級為8.8級、精度等級為 A級的高強度螺栓。根據工程經驗，端距e與螺栓直徑d之比不宜過小，主要是為了螺栓連接的破壞模式不從承壓破壞逐漸變成端部撕裂破壞。本模型采用e／d＝3，能很好地滿足工程要求。材料屬性數據采用現行規范取值，如表1所示。

表1 材料屬性表

本文采用ANSYS軟件進行有限元分析，模型的所有部分均采用實體單元，即采用體單元SOLID45。螺栓的螺母、螺柱和螺帽都簡化成圓柱形，這樣處理便于模型的建立，且對實際計算結果的影響不大。連接板之間、螺柱與連接板之間的接觸均通過創建三維接觸對來模擬，分別采用三維八節點面—面接觸單元CONTA174和三維目標單元TARGE170模擬。而螺母與連接板、螺帽與連接板通過耦合約束的方式進行模擬，這就要求耦合處的有限元網格基本一致。因計算和研究需要，鋼結構下邊剛性固定，玻璃鋼上邊和側邊簡支。為了更直觀地表述，截取9個螺栓等間距布置有限元模型視圖，如圖1所示。構件的受力和邊界條件示意圖如圖2所示。

3 構件的受力分析

在風載的作用下，垂直方向上的玻璃鋼板作為受風面，會對螺栓有擠壓力和拉力，產生剪切作用。玻璃鋼板在受風作用下會發生變形，使內部產生相互作用的拉力，導致對螺栓產生彎矩作用。螺栓在剪切和彎矩的作用下會有預緊力抗拒變形，并且在此復雜載荷的作用下，螺栓和玻璃鋼的開孔處都會有應力集中現象。本模型將風載換算成靜載進行分析。

由于復合材料玻璃鋼有分層，預緊力在復合材料模型中的影響遠大于在鋼結構中的影響，它可能導致玻璃鋼分層破壞。預緊力是影響連接強度的重要因素，其數值應根據載荷性質、連接剛度等條件確定［3］。螺栓預緊力的計算公式為：

式中，f為接合面間的摩擦系數，取為0.15；m為接合面數，取為2；R為螺栓所受剪力，Kf為可靠性系數，一般取 Kf＝ 1.1～1.3。 將各參數代入上式可得每個螺栓所需預緊力為30 kN。

根據國軍標GJB／Z119－99中的規定，風力計算公式為：

式中，P 為風壓；ρ為空氣密度，取為 1.25 kg／m3；ν為最大遭遇風速。為了盡量滿足結構要求，經計算，風載簡化成為面壓力10 kN／m2。

4 結果分析

4.1 等間距螺栓布置分析

由于玻璃鋼材料直到破壞都沒有明顯的屈服點，玻璃鋼的塑性小，沒有金屬的緩和應力作用，所以它在切口、開孔和構件間斷附近的應力集中現象更為嚴重。在考慮等間距螺栓布置時，根據工程經驗和要求，本文給出了5個螺栓等間距布置（總連接長度為920 mm）、7個螺栓等間距布置（總連接長度為1 320 mm）和9個螺栓等間距布置（總連接長度為1 720 mm）的3種情況。在此3個模型中相關尺寸都滿足：螺栓間距S均為200 mm、邊距W為50 mm、端距 b為 60 mm，連接板之間、螺柱與連接板之間的間隙λ均為0.5 mm，螺栓孔孔徑D為21 mm，板厚h為20mm。其中5個螺栓等間距布置模型的簡化側視圖、螺栓的布置方式及尺寸如圖3所示。

圖4～圖6給出了在這3種情況下，玻璃鋼和鋼連接節點的開孔處以及螺栓在處于彈性階段時的受力不均勻分配系數，不均勻系數w為各個螺栓（或者玻璃鋼孔）所受Mises應力與平均Mises應力的比值。最理想的不均勻系數數值分布應該始終為1。

由圖4～圖6可以看出，在螺栓間距恒等于10 d的情況下，對于玻璃鋼和鋼結構連接，都是兩端螺栓和玻璃鋼孔的Mises應力較大，中間螺栓受力較小，尤其是最兩端處的螺栓和玻璃鋼孔所受Mises應力過大。并且隨著螺栓個數的增加，玻璃鋼在與鋼結構連接的開孔處以及螺栓的不均勻分配系數減小。

以上圖形和分析都表明：在螺栓連接總長度一定時，等螺栓間距布置方式存在很多缺點，其布置方式可能會使兩端玻璃鋼孔和螺栓先于其他連接點不滿足剛強度要求。在沒有達到屈服極限的狀況下，兩端螺栓應力集中，會使兩端螺栓比其他螺栓疲勞更厲害，更早產生疲勞破壞，不利于整個結構的長期工作。兩端的玻璃鋼在與鋼結構連接的開孔處應力過大，可能產生分層現象或變形，長期工作會破壞玻璃鋼的結構形式。

4.2 螺栓布置方式優化

根據工程經驗和要求可知，螺栓成比例間距布置能有效地避免應力集中，使受力分布更均勻，能延長結構壽命。在本論文的等間距螺栓布置結構中，應力集中在兩端，且最小的不均勻分配系數wmin大于0.85，最大的不均勻分配系數wmax未超過1.3，螺栓的不均勻分配系數w也基本顯對稱性分布，半邊曲線基本趨勢成線形。因此在這種情況下本論文采用的布置比例r與最小不均勻分配系數和最大不均勻分配系數的極限值關系為：r＝（wmax－wmin）／2＋1＝1.225，約為 1.2。 從兩端的螺栓開始以同比例向中間布置，以9個螺栓非等間距布置為例，邊距為60 mm，螺栓間距比例從左向右為 1∶1.2∶1.22∶1.23∶1.23∶1.22∶1.2∶1。 以此類推，7 個螺栓非等間距布置螺栓間距比例和5個螺栓非等間距布置螺栓間距比例從左向右分別為 1∶1.2∶1.22∶1.22∶1.2∶1 和 1∶1.2∶1.2∶1。

圖7給出了在5個螺栓非等間距布置、7個螺栓非等間距布置和9個螺栓非等間距布置的情況下螺栓的布置方式及尺寸，模型的簡化側視圖如圖 3（a）所示。

圖8～圖10給出了在這3種情況下，玻璃鋼和鋼連接節點的開孔處以及螺栓在處于彈性階段時的受力不均勻分配系數。螺栓間距成比例布置后，各個玻璃鋼開孔處和螺栓的不均勻分配系數在1上下小幅度浮動，表明Mises應力分布均勻，趨于理想狀況。這保證了結構的剛強度在整體上一致，不造成個別連接點先達到屈服極限而破壞整個結構。其最大不均勻分配系數與最小不均勻分配系數之差未超過0.1，兩端玻璃鋼開孔處和螺栓的應力比中間略大。螺栓的個數對不均勻分配系數影響很小。

可以看出：在螺栓連接總長度一定時，成比例螺栓布置比等螺栓間距布置更有優勢，玻璃鋼孔和螺栓最大Mises應力相對較小，各項性能相對較好。計算數據表明，成比例螺栓布置的玻璃鋼孔和螺栓平均Mises應力小于等間距螺栓布置的玻璃鋼孔和螺栓平均Mises應力，這有利于模型結構的穩定性和強度安全。

以上數值計算數據都在材料的彈性區域，未超過屈服極限，因此考慮疲勞壽命時，強度滿足要求。

5 疲勞壽命對比分析

S-N曲線及其方程是表征復合材料疲勞性能最經典同時也是最有效的方法，它可以不考慮材料內部的損傷情況，而是用宏觀的方法來反映材料的性能，因而成為廣泛應用的方法［4］。綜合集成桅桿工況的復雜性決定了疲勞載荷呈現譜的形式，為簡化起見，現將載荷譜化為單一幅值F的循環載荷，F取為最大風速下的穩定載荷，論文前部分已計算為10 kN／m2。將計算所得應力值用S－N曲線方程表征，從而得到疲勞壽命。

5.1 玻璃鋼孔疲勞壽命對比分析

玻璃鋼的S-N曲線通常做到5×106～107次，但實際上玻璃鋼往往不存在明顯的疲勞極限，循環次數達到108次量級，S-N曲線仍趨下降［5］。一些學者提出了玻璃鋼S-N曲線公式，主要有半對數曲線、冪函數曲線。半對數曲線公式有：

式中，Su為材料強度極限；λ＝0.1為遞減因子。有學者在分析了復合材料的疲勞性能數據的基礎上，修正了遞減因子：

從形式上講，修正的半對數曲線公式可方便地用于任何循環特征值的S－N曲線，在這一點上要比原公式方便。

冪函數方程描述復合材料S－N曲線中長壽命區變化規律：

該方程用log－log形式表示是一條直線。式中β由試驗確定的指數，國外一些研究機構對多種織物的玻璃鋼復合材料進行測試，β值在0.1～0.13左右，測試還表明在循環次數N＞108時實測數據與近似曲線也很接近［6］。

以上理論分析和方程都表明：對于玻璃鋼孔而言，疲勞壽命N和Mises應力成反比，即當SN（Mises應力σ）增大時，疲勞壽命N減小。對于6個模型結構，玻璃鋼孔的最大Mises應力和對應的疲勞壽命（上述2種理論計算所得結果近似）如表2所示。

表2 玻璃鋼孔Mises應力和壽命

從表中數據可得出：當總連接長度和螺栓個數一定時，成比例螺栓布置模型玻璃鋼孔的最大Mises應力小于等間距螺栓布置模型，前者的疲勞壽命要大于后者，后者失效更早，前者的布置方式更具有可行性。

5.2 螺栓疲勞壽命對比分析

為了保證螺栓及結構的安全，目前多采用概率S－N曲線來表示疲勞強度。對給定的應力范圍S，用概率S－N曲線計算得到壽命NP，這一壽命NP是指一批試樣經歷壽命NP時，其存活的比率為P，或者說有比例為P的試樣壽命N≥NP，即試樣的存活率為 P（失效概率為 l－P）。

當疲勞壽命為對數正態分布時，有：

式中，X＝lgN為對數疲勞壽命，xp＝lgNP表示存活率為p的對數安全壽命。

概率ε－N曲線方程為：

兩邊同乘彈性模量E＝2.09×105MPa得概率S－N曲線方程為：

其中，應力σ表示S，方程中σ和N的關系表征一條曲線［7］。

根據上述公式可得出：與玻璃鋼孔相似，螺栓的疲勞壽命N和應力σ成反比。對于6個模型結構，螺栓的最大Mises應力如表3所示。

表3 螺栓Mises應力和壽命

分析數據可知，當總連接長度和螺栓個數一定時，成比例螺栓布置模型螺栓的最大Mises應力小于等間距螺栓布置模型，前者的疲勞壽命要大于后者。由于螺栓的應力水平相對屈服極限而言較低，所以螺栓的疲勞壽命很長，因此綜合集成桅桿一般不會發生螺栓疲勞破壞。

6 結論

1）在螺栓連接玻璃鋼和鋼結構采用并列布置時，螺栓的不均勻分配系數w也基本顯對稱性分布，半邊曲線基本趨勢成線形，可知采用的布置比例r與最小不均勻分配系數和最大不均勻分配系數的極限值關系為：r＝（wmax－wmin）／2＋1。

2）本論文從玻璃鋼與鋼結構連接處的Mises應力著手分析其剛強度是否滿足要求，利用S－N曲線方程分析疲勞壽命。并得出：相對等間距螺栓排列布置，成比例間距螺栓布置的剛強度性能更好，疲勞壽命更長，更符合工程要求。

［1］龍筆虎，張德保.艦艇雷達隱身及其效果評估［J］.艦船電子工程，1998（3）：36－39.

［2］許維軍，康莊，姚熊亮.棱柱型隱身桅桿結構強度實驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2004，25（2）：131－135.

［3］王丹勇，溫衛東.復合材料單釘接頭三維逐漸損傷破壞分析［J］.復合材料學報，2005，22（3）：168－174.

［4］陳志群，唐義號，李進，等.典型復合材料結構疲勞壽命的預測方法 ［J］.材料研究學報，2007，21 （增刊）：340－344.

［5］金宏彬.復合材料疲勞 S－N 曲線的建模［J］.玻璃鋼／復合材料，1999（6）：18－20.

［6］SUMMERD，RICHARDSMD.Some vortex－shedding characteristics of the staggered configuration of circular cylinders ［J］.Journal of Fluids and Structures，2003，17 （3）：345－350.

［7］田秀云，盛厚斌.緊固件剛度不同對連接部位疲勞壽命影響的研究［J］.飛機設計，2004（1）：9－12.

Study of the Connection Mode of Bolting in the Integrated Mast

Wang Xiao－xia1Jiang Fan2Su Luo－qing2Sun Chao2Yang Wen－shan2
1 Military Representative Office in Jiangnan Shipyard （Group） Co.， Ltd， Shanghai 201913， China
2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

Stress analysis was carried out for the joint parts of composite materials and steel in the integrated mast with ANSYS software， by simulating the bolt＇s contact situation with contact cell.According to comparative analysis of the six types of working conditions， the non－equidistance layout of bolts has significant effect on reducing the stress level of the GRP bores and bolts.Thus the most optimal design that bolts should be laid with proportional spacing ratio of 1∶1.2 was found.The S－N curve was also used to analyze the fatigue life of GRP bores and bolts.The results show that the layout is beneficial to extending the fatigue life of the bolts.

integrated mast； fatigue life； bolt； proportional spacing； GRP； non－uniformity coefficient

U661.72

A

1673－3185（2010）06－41－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.06.008

2010-01-23

海軍武器裝備預先研究資助項目（401030101）；國防科技合作資助項目（2007DFR80340）；船舶科技預研基金資助（07J1.1.6）

王曉俠（1962－），男，高級工程師。研究方向：船舶總體與系統

江 帆（1985－ ），男，碩士研究生。 研究方向：船舶與海洋工程結構力學。E-mail：xiongliangyao＠ gmial.com