基于螺栓联接的疲劳设计问题研讨

1、基于螺栓联接的疲劳设计问题研讨 摘要：本文首先概述了金属结构中螺栓联接抗疲劳设计的必要性，然后就受轴向变载荷作用的螺栓联接载荷计算及疲劳设计的方法进行了详细的分析研究，本文在此提出了自己的观点和看法，可供同行参考和借鉴。 关键词：金属结构； 螺栓联接； 疲劳设计； 一、前言 由于设计、制造、安装和运输等方面的要求，金属结构通常是由型钢或钢板彼此连接组成独立杆件，各杆件再互相联接，组成整体金属结构件以承受作用力，完成预定的工作任务。因此联接方法及其可靠性对于金属结构件的正常工作有着重要意义。 二、螺栓联接抗疲劳设计的必要性 轴向拉力作用下螺栓联接的失效多数为疲劳失效。统计表明百分之九十以上螺栓失

2、效都与应力集中作用产生的疲劳失效有关。由于螺栓联接是一个多接触面的弹塑性接触问题，在重复加载作用下的应力应变关系十分复杂，并且影响疲劳强度的因素众多，因此，直接通过对螺纹的应力应变分析来计算螺栓联接的疲劳强度的实用意义不大。通常的做法是先计算出外力与预紧力作用下螺栓中的平均应力与变化应力，然后对应力集中，尺寸效应等影响疲劳强度的参数进行综合考虑，再应用古德曼法则来计算螺栓联接的疲劳强度。 一般情况下联接件的有效刚度远大于螺栓刚度。螺栓预紧力的存在，除了使零件之间产生紧密联接，增强联接的刚性之外，还会大幅度降低在拉伸载荷作用下螺杆应力的变化幅度，由此提高了螺栓联接的疲劳强度。如果预紧力不够大，拉

3、伸载荷有可能超过螺栓联接的预紧力，造成联接件分离，这会使螺栓联接的刚度大幅下降，同时也使应力变化幅度大幅增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。增大螺栓联接的预紧力，不但能降低联接件在载荷作用下产生分离的风险，还能提高螺栓联接的防松能力，防止预紧力在重复外力作用下变小。 三、螺栓联接疲劳强度安全系数计算 螺栓联接的疲劳强度可通过古德曼准则作近似计算。在周期循环应力作用下，根据古德曼准则，金属零件的持久极限疲劳强度曲线可由下式决定： 其中，sa，sm为古德曼持久极限疲劳强度线上任一点上对应的交变应力与平均应力，su为材料的抗拉强度，se为零件的综合疲劳极限强度。 零件的持久极限疲劳强度安全系数的计算与

4、应力的加载路径有关。对比例加载，零件持久极限疲劳强度设计的安全系数可用持久极限疲劳强度曲线上的应力幅度sa与实际应力幅度a的比值来定义。 在外力作用为零时，螺栓联接中存在一个预紧力fi作用。预紧力在螺杆中产生的平均预应力可通过i = fi / at计算，其中fi 为螺栓联接的预紧力，at为螺杆的有效受力面积。 当一个螺栓联接受到一个循环外力作用时，如果外力作用p与预紧力fi都为已知，则可求出在外力p作用下螺栓中的交变应力幅度a与平均应力m。 如果认为螺栓联接中螺杆的有效刚度与联接件的有效刚度在加载过程中都是常数，对一个给定的拉伸力作用，外力在a-m图上产生的变化为一直线变化关系。螺栓联接的疲劳

5、强度安全系数由nf= sa/a定义。 此时如果能确定对应螺杆的综合疲劳强度se，就可通过计算求出在给定预紧力与外力作用下螺栓联接的疲劳极限强度及对应的疲劳极限强度安全系数。在以上的计算中，没有考虑螺杆中的扭矩作用，这是因为在循环应力作用下，螺杆内的扭矩会很快被减低到对疲劳强度的影响可以忽略不计的程度。如果在整个循环加载过程中预紧力与零件综合疲劳强度se都是常数，则疲劳极限强度安全系数也是一个确定的常数。 由于螺纹在根部有很大的应力集中，在重复应力作用下螺纹根部疲劳断裂是螺栓联结疲劳失效的主要原因之一。在外力与预紧力作用下螺纹的受力呈不均匀分布，其中螺杆上受力螺纹的第一牙承受了最大份额的载荷。因

6、此，受力螺纹的第一牙根部的应力集中应是产生疲劳裂纹的主要原因之一。由于螺栓及螺纹几何形状的标准化，螺栓联接疲劳计算的有效应力集中系数可通过分析或试验得出。螺栓综合疲劳极限强度可由以下简化公式确定： se=kb/kf 其中 se 为螺栓材料标准试件的疲劳极限强度应力，kb为零件的尺寸效应系数，kf则是一个包括了几何形状产生的应力集中作用及与材料强度相关的表面作用的疲劳强度降低系数，kf与螺纹的设计形状有关，也与螺帽的几何形状有关。 四、预紧力对螺栓联接疲劳强度的影响 如果拉伸外力小于预紧力，且无偏心作用，则交变应力不随预紧力变化而改变。预紧力变大，交变应力不会改变，但平均应力会变大。因此，根据计

7、算得出的螺栓联接的疲劳强度安全系数就会变小。由此会得出增加预紧力可能会使螺栓联接的疲劳强度安全系数降低的结论。是否可以因此认为在不发生螺栓联接预紧接触面分离的前提下，螺栓联接的最大疲劳强度安全系数可通过一个最小的预紧力来实现呢？ 对这个问题的回答，可从三个方面来讨论。首先，由于外载荷的不确定性，总是存在超载的可能，而超载后则可能使螺栓联接产生分离。需要考虑的是，增大预紧力所带来的疲劳强度的降低与可能的超载作用下产生螺栓联接分离后疲劳强度降低相比，那一个更具有更大的风险？其次，在循环外力作用下，预紧力可能逐渐降低，这对螺栓联接疲劳强度影响如何？再就是增大预紧力可能会在螺纹根部产生塑性变形，从而产

8、生残余应力，这对螺栓联接疲劳强度有如何影响？ 利用螺栓联接的古德曼法则来计算给定外力作用下螺栓联接的疲劳强度安全系数时，外力作用不能大于使螺栓联接产生联接分离的作用力psep。在外力使螺栓联接产生分离的条件下，螺栓联接的疲劳强度可能会大幅降低。 普通螺栓联接的螺杆拉力主要被最前面的三牙受力螺纹承受，当初始预紧力足够大时，会使部分螺纹根部局部进入塑性变形，同时在这些螺纹根部产生残余应力。螺纹根部产生的残余压应力，能提高螺纹的疲劳强度。同时，塑性变形后的螺纹还能改善螺纹受力分布，使螺纹牙上的接触压力变小，由此也提高了螺纹的疲劳强度。如此的改变，还可能会使螺栓联接中强度最弱的部位被转移到那些强度相对

9、更大的部位上去了。另外，在材料的屈服之后，螺栓联接的预紧力的进一步增加也会受到限制。因此，在不产生静力破坏失效的前提下，基本上是预紧力越大，螺栓联接的实际有效疲劳强度也越大。 如果螺栓联接的疲劳强度安全系数能满足预先的设计要求，此时应该是预紧力越大，螺栓联接抵抗联接分离的能力越大，抵抗预紧力松弛的能力越强，同时螺栓联接的实际有效疲劳强度也越大。因此，增大螺栓联接的预紧力，总体来说有利于提高螺栓联接抵抗循环外载作用下疲劳失效的能力，使螺栓联接在振动冲击力与有限超载作用下产生疲劳失效的风险变得更小。 五、结束语 在螺栓联接中产生与保持足够大的预紧力，是保证螺栓联接疲劳强度的重要手段之一。综合本文以上分析讨论结果，对钢制标准螺栓，在不超过螺栓联接的螺杆，螺纹与联接件的静强度的前提之下，对一个给定的螺栓联接设计，可以认为是预紧力越大，其有效