连接螺纹在塑性变形下的受力分析
发布时间:2016-07-15
发布者: 张力 专家
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螺纹紧固件8.8、9.8、10.9、12.9和12.9等级别,材质为低合金钢或低、中碳钢并经热处理(淬火、回火),通称为高强度螺栓,螺纹连接是机械连接中的重要方式。

目前,由于高强度或超高强度钢制造的螺纹紧固件在实际工程中存在结构强度不确定的问题,其主要原因是标准配合螺纹在发生塑性变形后,其配合螺纹之间的应力分布及由塑性变形带来的局部高应力转移不确定性,这就导致配合的螺纹紧固件的某些螺纹根部应力非常大,从而带来结构强度破环和早期疲劳失效。

螺纹紧固件的疲劳和一般疲劳一样,存在着5个必要条件:①交变工作载荷;②高于疲劳极限的应力副;③疲劳源;④环境介质;⑤材料的敏感性。螺栓连接疲劳失效可从这5个方面着手,进行设计时的疲劳失效预防和疲劳失效分析。

螺纹紧固件的疲劳失效可以在设计中避免的。螺纹紧固件的疲劳失效,大多数都不是因为螺纹紧固件的质量问题引起的,而是设计的不合理。因此,设计初期,就应对工作载荷进行计算,可以通过合理的紧固点布置和螺栓结构尺寸设计优化,并施加足够的夹紧力,使螺栓在工作中,应力幅控制在设计的范围内,必将大幅地降低螺栓疲劳失效的概率,从而为客户提供高品质的产品。

经查阅相关文献资料,目前对塑性变形下的螺纹受力特性研究甚少,从而根本上严重制约了螺栓高强度结构或超高强度方向的应用与发展。

如30CrMnSiA钢螺栓最低屈服强度975Mpa,抗拉强度1080Mpa。通过对螺纹三维有限元分析表明,从计算结果来看,配合螺纹最大应力为946Mpa,位于外螺纹的最后一螺纹处。

通过高强度螺栓螺纹最大应力曲线图读取螺纹的塑性变形值,其外螺纹第1牙螺纹塑性变形最大;外螺纹中,从第7牙螺纹开始,应力明显降低。可以看出,在发生塑性变形下的配合螺纹中,由于前面螺纹牙型发生塑性变形,最大应力不再是第1牙螺纹最大,而是转移到第3牙螺纹和第4牙螺纹,这在最大应力曲线图中也能够得到很明显的体现,在螺纹根部存在高应力区,其高应力分布方向基本与牙侧垂直。

用螺纹三维有限元设计,牙高优化设计结果表明,在发生塑性变形下的螺纹配合,要获得其螺纹根部最大应力最小且前端3螺纹应力水平相当,则须使前端3螺纹牙高相等且牙高约为原牙高的2/3,才能在连接螺纹塑性变形不一致的情况下,使应力与牙高对载荷分配之间达到等强度匹配。随着牙高的增加,牙高最大应力以及相互牙根应力差也随之增大。为此,设计时需以牙高为优化对象,达到对螺纹等强度的目的,为塑性变形下配合螺纹的应力分布特性及牙高等应力优化提供参考。
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