Инженер Husker объясняет причины и решения проблемы ослабления болтов

6 минут назад · 3 минуты чтения

В 2011 году разбился один из самых современных беспилотных летательных аппаратов Америки. В 2013 году в результате железнодорожной катастрофы в Париже погибли семь человек. А в 2016 году поезд Union Pacific сошел с рельсов в Мозьере, штат Орегон, в результате чего разлилось 42 000 галлонов сырой нефти.

Это всего лишь три ярких примера того, как одно из самых неприятных и малопонятных явлений базовой механики — ослабление болтов с течением времени — может привести к хаосу. Киган Мур из Университета Небраски-Линкольна изучает, как это происходит и как это можно предотвратить с помощью пятилетнего гранта в размере 727 410 долларов США от Программы развития ранней карьеры преподавателей Национального научного фонда.

«Расшатавшиеся болты виноваты не только в громких катастрофах; они представляют собой угрозу в повседневной жизни, от игрового оборудования и автомобилей до биомедицинских имплантатов и космического телескопа Джеймса Уэбба», — сказал Мур, доцент кафедры машиностроения и материаловедения. .

Мур сказал, что, несмотря на повсеместное распространение болтов и винтов в инфраструктуре всех типов, мало что известно о том, как динамика конструкции может влиять на их ослабление во время нормальной эксплуатации.

«Ослабление болтов и соединений изучается со времен промышленной революции, потому что с тех пор это стало проблемой», — сказал Мур.

Он надеется, что его исследование ответит на некоторые из этих вопросов. Он сосредоточится на ротационном расшатывании, вызванном вибрациями конструкций.

Стопорные шайбы — наиболее распространенный способ предотвращения ослабления болтов, но во многих случаях они неэффективны или даже увеличивают скорость ослабления. Другие подходы, в том числе динамометрические гайки и использование двух гаек на болте, в лучшем случае задерживают, а не предотвращают ослабление.

Проект Мура будет измерять условия контакта интерфейса — поверхности, которые скрепляет болт — с помощью высокоскоростных цифровых камер, которые снимают со скоростью тысячи кадров в секунду. Он считает, что деформации, измеренные вокруг головки болта или гайки, можно сопоставить с условиями контакта внутри интерфейса вокруг отверстия для болта. Он также разработает основы моделирования для воспроизведения динамики ослабления и определения того, как динамика конструкции влияет на ослабление болтов.

«Мы надеемся, что это даст нам новое окно в то, что происходит в интерфейсе, которого у нас никогда раньше не было, и мы сможем измерить, как это меняет динамику, когда болт ослабляется и когда конструкция трясется», — сказал Мур.

Одной из ключевых задач является понимание того, как один ослабленный болт может повлиять на другие части конструкции.

«Изменения в одном болте могут привести к драматическим изменениям в другом месте… не только к отказу, но и к изменениям в работе», — сказал он.

Ослабление болтов является одним из аспектов стареющей инфраструктуры Америки. Он надеется, что его исследование может привести к профилактическому обслуживанию, которое будет сосредоточено на конкретных вероятных проблемных областях, что более эффективно, чем попытка контролировать все болты.

Как и все гранты CAREER, Moore's включает в себя образовательный компонент. Он планирует «геймифицировать» существующие курсы по динамике в машиностроении, развивая совместное, а не соревновательное, игровое обучение и создать лабораторию динамики виртуальной реальности, «чтобы вызывать волнение и любопытство в классе и трансформировать обмен идеями». Он также планирует создать новый курс по игровому обучению.

Награды NSF CAREER поддерживают преподавателей, которые демонстрируют роль учителей-ученых благодаря выдающимся исследованиям, отличному образованию и интеграции образования и исследований.