论文标题：Prediction model and loosening characteristics of a bolted connection system under torsional excitation

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Wujiu PAN, Xianmu LI, Kuishan KONG, Jian LI, Junyi WANG, Jianwen BAO, Peng GAO, Xianjun ZENG, Peng NIE

发表时间： 15 Jun 2025

DOI：10.1007/s11465-025-0834-6

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航空发动机转子系统中的螺栓法兰连接结构在高速旋转与复杂载荷环境下，因扭转振动激励引发的螺栓松动问题直接影响设备稳定性。现有研究多聚焦横向与轴向振动，不同的振动激励对螺栓的松动机理会有所不同，针对扭转振动工况的动态响应机制尚缺乏系统理论。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2025年第20卷第3期的一篇题为“Prediction model and loosening characteristics of a bolted connection system under torsional excitation”的研究论文，基于集中质量法和螺栓系统内的弹性相互作用特性，建立了扭转激励下单螺栓和多螺栓连接结构系统的动态模型。

本研究创新性地将单螺栓模型扩展至多螺栓系统，引入螺栓间距相关的弹性交互刚度修正项，量化多参数耦合效应。仿真环节采用ABAQUS 2021构建三维有限元模型，设置螺栓材料参数为弹性模量210GPa、泊松比0.3，通过固定约束与扭矩加载模拟实际工况，结合MATLAB数值求解动态方程，模拟预紧力衰减过程。实验设计采用高精度扭矩传感器与数据采集系统，在额定扭矩下测量完全松动时的旋转角度，验证模型精度。结果显示，仿真与实验的旋转角度误差控制在5.7%以内，证明模型有效性。

参数分析表明，材料弹性模量对多螺栓系统交互刚度影响显著：当弹性模量降低30%时，松动速率减缓21.4%；增加螺栓数量至6颗可使交互效应减弱42.8%，抗松动性能提升幅度最大；连接部件厚度增加2mm时，单螺栓系统预紧力维持能力提高18.3%。此外，螺距增大0.5mm可增强接触刚度，使单螺栓动态响应稳定性提升12.6%；外部激励振幅从50N·m增至100N·m时，松动速率呈非线性增长，频率超过200Hz后系统进入共振区。

研究提出的动态模型首次系统量化扭转振动工况下多参数耦合效应，为航空发动机连接系统动力学设计提供理论工具。该方法可推广至燃气轮机、风电齿轮箱等高速旋转装备领域，有效抑制振动传递。未来结合实时监测技术，如应变传感器与振动数据分析，构建螺栓松动预警系统，可进一步提升复杂工况下连接结构的可靠性。

关键词

螺栓连接；螺栓松动；螺栓刚度；扭转激励；动态模型

引用

Wujiu PAN（潘五九）, Xianmu LI（李先沐）, Kuishan KONG（孔奎善）, Jian LI（李健）, Junyi WANG（王军义）, Jianwen BAO（鲍建文）, Peng GAO（高鹏）, Xianjun ZENG（曾宪君）, Peng NIE（聂鹏）. Prediction model and loosening characteristics of a bolted connection system under torsional excitation. Front. Mech. Eng., 2025, 20(3): 20

https://doi.org/10.1007/s11465-025-0834-6

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