本发明公开了一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，该方法考虑分块制造的结构件焊接后的变形程度，利用分块螺栓组群的弹性相互作用，发现螺栓群最终预紧力标准差最小的紧固策略具有分块阵的特点，分区内元素的绝对值差值较小，进而按照配合界面配合间隙最小以及“相对的两区域中心与螺栓群几何中心的连线呈钝角”原则，分区域进行紧固的工艺策略。本发明以某分块结构为例，制定螺栓组群分区紧固工艺，结果显示，分区紧固的预紧力均匀分布性较好，最大残余预紧力偏差降低了一半以上。
1.一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，其特征在于具有如下步骤：S1、测量因焊接导致的各零件配合界面变形，获得主要变形区域位置标识为P＝{p1，p2，…，pn}，其中pi＝(xi，yi，zi)为凸起或下凹区域中心点坐标，(xi，yi)表征零件配合界面水平位置，zi表征凸起或下凹位移参量，其中，i∈(1,2,...,n)；
S2、对步骤S1获得的主要变形区域位置标识计算装配初始时刻，相互配合零件位置距离，并表征为ΔH＝{Δh1，Δh2，…，Δhn}，其中Δhi＝(xi，yi，Δzi)以相互配合的一个零件水平位置(xi，yi)为基准，获得的垂直配合表面方向位置距离量为Δzi；
S3、根据各主要变形区域的螺栓组群几何特征划分区域，得到n个区域，根据需要设置目标扭矩的从小到大m遍的紧固扭矩值；
S4、标识步骤S3得到的n个区域整体的几何中心O，O的坐标标识为(xo，yo)；
根据步骤S2获得的ΔZ＝{Δz1，Δz2，…，Δzn}，选取其中最小值ΔZs1＝min(Δz1，Δz2，…，Δzn)，并定义相对应的区域为区域1且区域1几何中心为A1＝(xs1，ys1)；
S6、按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值，采用十字交叉法完成区域1范围内各螺栓的第一遍紧固；
S72、设区域j几何中心为Aj＝(xsj，ysj)，Aj满足Aj-1、O、Aj连线夹角∠Aj-1OAj＞90°、且区域j的垂直配合表面方向位置距离量ΔZsj满足ΔZsj＝min(剩余待确定区域的Δzi)；
确定Aj及区域j位置后，按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值、采用十字交叉法完成区域j范围内各螺栓的第一遍紧固；
S73、令j＝j+1，若j≠n，则重复步骤S72，若j＝n，则执行步骤S8；
S8、设区域j几何中心为Aj＝(xsj，ysj)，按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值、采用十字交叉法完成区域j范围内各螺栓的第一遍紧固；
S9、按照区域编号从小到大的顺序依次按照步骤S3设置的次小紧固扭矩值完成第二遍紧固，直至依次按照步骤S3设置的最大紧固扭矩值完成第m遍紧固，紧固完成。
2.根据权利要求1所述的焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，其特征在于：所述步骤S3中，m＝3，则最小紧固扭矩值为目标扭矩的30％，次小紧固扭矩值为目标扭矩的70％，最大紧固扭矩值为目标扭矩的100％。
3.根据权利要求1所述的焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，其特征在于：所述步骤S1中，测量因焊接导致的各零件配合界面变形指的是利用水平尺测量零件配合界面变形角度，利用三角函数计算零件配合界面在Z方向的变形量。
4.根据权利要求1所述的焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，其特征在于：所述目标扭矩为实际紧固过程中最终达到的最大扭矩。
5.根据权利要求1所述的焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，其特征在于：所述十字交叉法具体步骤为：S61、过区域几何中心作两条垂线，构成十字；
S62、若区域几何中心附近有螺栓，则紧固位于区域几何中心最近的螺栓，执行步骤S63，若区域几何中心附近没有螺栓，则执行步骤S63；
S63、按顺时针或逆时针分别紧固十字四条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固十字两条垂线上的螺栓；
S64、十字旋转45°，按顺时针或逆时针分别紧固十字四条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固十字两条垂线上的螺栓；
S65、十字顺时针和逆时针各旋转45°/2，得到两个十字，按顺时针或逆时针分别紧固两个十字八条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固两个十字四条垂线上的螺栓；
S65、剩余螺栓按顺时针、逆时针或对角线分别紧固。
一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法
技术领域
[0001] 本发明属于紧固工艺技术领域，具体地，是一种针对焊接变形后保证螺栓连接预紧力均匀的紧固工艺。
背景技术
[0002] 焊接是通过局部加热或加压，或同时加热加压的方法，将连接处的金属熔化或使其达到塑性状态从而促使连接处金属原子互相渗透以达到金属晶格间距，完全利用原子间的结构力将同种或异种材料连接起来的工艺方法。在此过程中，焊接物理现象十分复杂，尤其在焊缝及热影响区内，由于局部加热的原因，在这个区域内产生了极大的温度梯度，从而在整个构件截面上产生了弹性、弹塑性、塑性三种区域。而在冷却至室温后，由于加热过程产生的塑性应变的累积导致了结构的变形，使得焊件的形状和尺寸发生畸变，即焊接变形。
[0003] 在工程实践中，许多重大装备涉及分块制造，即多系统拼接。这些装备服役工况恶劣，一般会承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用，系统振动剧烈，而且工作区域狭窄，一旦发生螺栓断裂破坏，更换维修工作难以进展，不但影响施工进度更会增加施工风险，因此研究焊接变形结构的多螺栓紧固工艺具有十分重要的意义。
[0004] 螺栓预紧力均匀分布是保证焊接件分块螺栓连接刚度的关键，预紧力能否均匀分布主要取决于螺栓群紧固工艺，由于分块变形大，采用常规紧固工艺难以保证预紧力均匀性。因此，针对维修成本高风险高且无法进行在线检测与反馈调节的问题，缺乏行之有效的解决措施，所以有必要提出一种合适的紧固工艺，使得焊接后的被连接件再进行螺栓连接时，螺栓预紧力更均匀。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足，本发明通过研究螺栓群弹性相互作用规律，获得紧固工艺对螺栓预紧力均匀性的影响机制，进而提出一种刀盘分块螺栓群分区紧固工艺策略，即一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法。本发明解决了螺栓群预紧力不均匀的问题，降低了结构的振动幅度，提高了装配效率，实践证明，这种紧固工艺有助于延长刀盘螺栓疲劳寿命，减少工程事故，节约资源。
[0006] 分块构件焊接过程中，零件配合界面变形出现“波浪形”分布，幅值最高达10毫米，波长从数十到数百毫米不等。螺栓组群按顺序逐个紧固时，后紧固的螺栓使零件配合界面产生弹性变形，继而引起先紧固的螺栓伸长量发生变化，产生螺栓间的弹性相互作用，导致紧固后的螺栓组群预紧力非均匀分布。
[0007] 通过分析不同紧固顺序和紧固起点时的弹性相互作用，发现螺栓组群最终预紧力标准差最小的紧固策略所对应的矩阵具有分块阵的特点，分区内元素的绝对值差值较小，矩阵分区的边界对应着零件配合界面的曲率变化极值点。因此，本发明提出了按照零件配合界面间隙划分区域，分区域进行刀盘分块紧固的工艺策略。
[0008] 本发明采用的技术手段如下：
[0009] 一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，具有如下步骤：
[0010] S1、测量因焊接导致的各零件配合界面变形，获得主要变形区域位置标识为P＝{p1，p2，…，pn}，其中pi＝(xi，yi，zi)为凸起或下凹区域中心点坐标，(xi，yi)表征零件配合界面水平位置，zi表征凸起或下凹位移参量，其中，i∈(1,2,...,n)；
[0011] S2、对步骤S1获得的主要变形区域位置标识计算装配初始时刻，相互配合零件位置距离，并表征为ΔH＝{Δh1，Δh2，…，Δhn}，其中Δhi＝(xi，yi，Δzi)以相互配合的一个零件水平位置(xi，yi)为基准，获得的垂直配合表面方向位置距离量(零件配合界面间隙)为Δzi；
[0012] S3、根据各主要变形区域的螺栓组群几何特征划分区域，得到n个区域，根据需要设置目标扭矩的从小到大m遍的紧固扭矩值；
[0013] S4、标识步骤S3得到的n个区域整体的几何中心O，O的坐标标识为(xo，yo)；
[0014] S5、区域1的确定及螺栓拧紧：
[0015] 根据步骤S2获得的ΔZ＝{Δz1，Δz2，…，Δzn}，选取其中最小值ΔZs1＝min(Δz1，Δz2，…，Δzn)，并定义相对应的区域为区域1且区域1几何中心为A1＝(xs1，ys1)；
[0016] S6、按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值，采用十字交叉法完成区域1范围内各螺栓的第一遍紧固；
[0017] S7、区域j的确定及螺栓拧紧：
[0018] S71、令j＝2；
[0019] S72、设区域j几何中心为Aj＝(xsj，ysj)，Aj满足Aj-1、O、Aj连线夹角∠Aj-1OAj＞90°、且区域j的垂直配合表面方向位置距离量ΔZsj满足ΔZsj＝min(剩余待确定区域的Δzi)；
[0020] 确定Aj及区域j位置后，按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值、采用十字交叉法完成区域j范围内各螺栓的第一遍紧固；
[0021] S73、令j＝j+1，若j≠n，则重复步骤S72，若j＝n，则执行步骤S8；
[0022] S8、设区域j几何中心为Aj＝(xsj，ysj)，按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值、采用十字交叉法完成区域j范围内各螺栓的第一遍紧固；
[0023] S9、按照区域编号从小到大的顺序依次按照步骤S3设置的次小紧固扭矩值完成第二遍紧固，直至依次按照步骤S3设置的最大紧固扭矩值完成第m遍紧固，紧固完成。
[0024] 所述步骤S3中，m＝3，则最小紧固扭矩值为目标扭矩的30％，次小紧固扭矩值为目标扭矩的70％，最大紧固扭矩值为目标扭矩的100％。
[0025] 所述步骤S1中，测量因焊接导致的各零件配合界面变形指的是利用水平尺测量零件配合界面变形角度，利用三角函数计算零件配合界面在Z方向的变形量。
[0026] 所述目标扭矩为实际紧固过程中最终达到的最大扭矩，考虑拧紧效率(需要逐步拧到最大扭矩，因为如果直接拧紧到最大扭矩，螺栓会在紧固过程中松动，造成扭矩过小)，所以设置目标扭矩的从小到大m遍的紧固扭矩值，逐渐拧紧。
[0027] 所述十字交叉法具体步骤为：
[0028] S61、过区域几何中心作两条垂线，构成十字；
[0029] S62、若区域几何中心附近有螺栓，则紧固位于区域几何中心最近的螺栓，执行步骤S63，若区域几何中心附近没有螺栓，则执行步骤S63；
[0030] S63、按顺时针或逆时针分别紧固十字四条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固十字两条垂线上的螺栓；
[0031] S64、十字旋转45°，按顺时针或逆时针分别紧固十字四条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固十字两条垂线上的螺栓；
[0032] S65、十字顺时针和逆时针各旋转45°/2，得到两个十字，按顺时针或逆时针分别紧固两个十字八条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固两个十字四条垂线上的螺栓；
[0033] S65、剩余螺栓按顺时针、逆时针或对角线分别紧固。
[0034] 本发明的有益效果：
[0035] 1.本发明可以简单有效地分析螺栓装配的变形与受力，较好地预测螺栓组群装配性能。考虑分块界面变形的预紧力均匀性，相对于传统十字紧固工艺，分区紧固的预紧力分布均匀性显著提升。
[0036] 2.本发明可靠度高，利用弹性相互作用，根据目标预紧力获得合适可靠的最终预紧力。
[0037] 3.本发明适用性和可操作性强，对各种螺栓连接结构都具有较好的适应性。
附图说明
[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039] 图1是本发明的具体实施方式中一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法的流程图。
[0040] 图2是本发明的具体实施方式中根据各主要变形区域的螺栓组群几何特征划分区域的示意图(此时区域未标号)；
[0041] 图3是本发明的具体实施方式中紧固顺序示意图，其中①～⑥为零件配合界面间隙较小的区域，⑦～⑩为零件配合界面间隙较大的区域；
[0042] 图4是本发明的具体实施方式中与区域1几何中心构成钝角的区域示意图；
[0043] 图5是本发明的具体实施方式中焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法与十字紧固工艺的比较示意图。
具体实施方式
[0044] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 结构焊接后，焊接残余应力导致零件配合界面变形大，起伏不平，螺栓连接预紧力均匀性较差，这就会影响到系统的连接刚度和振动响应。因此本发明考虑分区紧固，先紧固零件配合界面间隙最小的区域，然后依次分区紧固其他区域，前续区域接触变形导致后续区域间隔变小，预紧力偏差就随之变小，提出了一种分区紧固策略。
[0046] 通过分析螺栓预紧力标准差最小的紧固工艺，发现该工艺具有按照间隙大小由小到大顺序紧固的特点，由此依据预紧力分布均匀性及装配效率要求，提出如下螺栓群分区紧固工艺策略：
[0047] 如图1-图5所示，一种焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法，具有如下步骤：
[0048] S1、测量因焊接导致的各零件配合界面变形，获得主要变形区域位置标识为P＝{p1，p2，…，p10}，其中pi＝(xi，yi，zi)为凸起或下凹区域中心点坐标，(xi，yi)表征零件配合界面水平位置，zi表征凸起或下凹位移参量，其中，i∈(1,2,..,.10)；
[0049] S2、对步骤S1获得的主要变形区域位置标识计算装配初始时刻，相互配合零件位置距离，并表征为ΔH＝{Δh1，Δh2，…，Δhn}，其中Δhi＝(xi，yi，Δzi)以相互配合的一个零件水平位置(xi，yi)为基准，获得的垂直配合表面方向位置距离量(零件配合界面间隙)为Δzi；
[0050] S3、根据各主要变形区域的螺栓组群几何特征划分区域，得到10个区域，根据需要设置目标扭矩的30％，70％，100％，3遍的紧固扭矩值；
[0051] S4、标识步骤S3得到的10个区域整体的几何中心O，O的坐标标识为(xo，yo)；
[0052] S5、区域1的确定及螺栓拧紧：
[0053] 根据步骤S2获得的ΔZ＝{Δz1，Δz2，…，Δz10}，选取其中最小值ΔZs1＝min(Δz1，Δz2，…，Δz10)，并定义相对应的区域为区域1且区域1几何中心为A1＝(xs1，ys1)；
[0054] S6、按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值，采用十字交叉法完成区域1范围内各螺栓的第一遍紧固；
[0055] S7、区域j的确定及螺栓拧紧：
[0056] S71、令j＝2；
[0057] S72、设区域j几何中心为Aj＝(xsj，ysj)，Aj满足Aj-1、O、Aj连线夹角∠Aj-1OAj＞90°、且区域j的垂直配合表面方向位置距离量ΔZsj满足ΔZsj＝min(剩余待确定区域的Δzi)；
[0058] 确定Aj及区域j位置后，按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值、采用十字交叉法完成区域j范围内各螺栓的第一遍紧固；
[0059] S73、令j＝j+1，若j≠10，则重复步骤S72，若j＝10，则执行步骤S8；
[0060] S8、设区域j几何中心为Aj＝(xsj，ysj)，按照步骤S3设置的最小紧固扭矩值、采用十字交叉法完成区域j范围内各螺栓的第一遍紧固；
[0061] S9、按照区域编号从小到大的顺序依次按照步骤S3设置的次小紧固扭矩值完成第二遍紧固，直至依次按照步骤S3设置的最大紧固扭矩值完成第m遍紧固，紧固完成。
[0062] 最小紧固扭矩值为目标扭矩的30％，次小紧固扭矩值为目标扭矩的70％，最大紧固扭矩值为目标扭矩的100％。
[0063] 所述步骤S1中，测量因焊接导致的各零件配合界面变形指的是利用水平尺测量零件配合界面变形角度，利用三角函数计算零件配合界面在Z方向的变形量。
[0064] 所述目标扭矩为实际紧固过程中最终达到的最大扭矩。
[0065] 所述十字交叉法具体步骤为：
[0066] S61、过区域几何中心作两条垂线，构成十字；
[0067] S62、若区域几何中心附近有螺栓，则紧固位于区域几何中心最近的螺栓，执行步骤S63，若区域几何中心附近没有螺栓，则执行步骤S63；
[0068] S63、按顺时针或逆时针分别紧固十字四条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固十字两条垂线上的螺栓；
[0069] S64、十字旋转45°，按顺时针或逆时针分别紧固十字四条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固十字两条垂线上的螺栓；
[0070] S65、十字顺时针和逆时针各旋转45°/2，得到两个十字，按顺时针或逆时针分别紧固两个十字八条射线上的螺栓，或按对角线分别紧固两个十字四条垂线上的螺栓；
[0071] S65、剩余螺栓按顺时针、逆时针或对角线分别紧固。
[0072] 本实施例中，与区域1几何中心构成钝角(∠A1OA2＞90°)的区域有标号为2,4,6,8,10的区域，且各区域对应的Δzi满足Δz2＜Δz4＜Δz6＜Δz8＜Δz10，则区域2为标号为2的区域；
[0073] 如图5所示，本实施例的焊接变形结构的多螺栓紧固工艺方法的预紧力分布均匀性显著提升，最大残余预紧力偏差从50kN降低到22kN以下。
[0074] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
