基于ABAQUS對疲勞試驗夾具螺紋的失效分析

陳榮華， 崔敬巍， 甯佐清， 施紅健

(1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044; 2.中國船舶重工集團公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

?

基于ABAQUS對疲勞試驗夾具螺紋的失效分析

陳榮華1， 崔敬巍1， 甯佐清2， 施紅健3

(1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044; 2.中國船舶重工集團公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

采用成組法對20MnTiB棒材進行疲勞試驗，將所得的數據點標在單對數坐標軸上，通過計算相關系數r可知：該組數據不滿足S-N曲線擬合的條件，即該組數據離散性較大?；贏BAQUS對失效的夾具螺紋進行有限元分析，并根據失效的螺紋牙部位及幾何形狀，對失效的螺紋牙進行受力分析，建立有限元模型。分析表明：夾具螺紋孔的偏心誤差使得夾具螺紋的局部螺紋牙承受較大應力是導致塑性變形的主要原因，從而證實了試驗所得數據離散性較大的原因，為今后的疲勞試驗夾具設計及保護提供了一定的經驗。

疲勞實驗; 夾具螺紋; ABAQUS; 疲勞壽命曲線; 螺紋牙失效

0 引 言

高頻疲勞試驗機在配備相應試驗夾具后，可以進行測定金屬、合金材料及其構件在室溫狀態下的拉伸、壓縮或拉壓交變負荷的疲勞特性、疲勞壽命、預制裂紋及裂紋拓展等試驗[1-2]。將不同形狀的試樣固定在高頻疲勞試驗機上，夾具則起到了重要的聯接作用，常用的有楔形夾具和螺紋夾具。由于螺紋聯接能承受一定預緊力且耐疲勞、裝配簡便等特點，在機械設備中有著廣泛的應用。螺紋試樣夾持裝置能把試驗機的允許負荷施加在螺紋試樣上。由于夾具螺紋加工和裝配過程中存在一定的誤差，導致螺紋牙在試驗過程中受到不同程度的損傷，同時影響了試驗的數據可靠性。為此，許多研究人員分析了諸多導致螺紋失效的原因。OKAT[3]發現螺紋根部圓弧半徑的尺寸很大程度上影響螺紋根部應力的大小及分布；薛強等[4-5]提出通過優化螺紋圓角半徑和螺紋根部直徑的方法來減小螺紋根部應力集中；王波[6]通過ABAQUS施加螺栓預緊力的方法分析了鋼結構中螺栓聯接的節點應力分布，為以后鋼結構節點設計提供了有益參考。

本文進行了20MnTiB圓棒材的疲勞試驗，基于大型的有限元軟件ABAQUS對夾具螺紋進行分析，根據失效的螺紋牙部位及幾何形狀，對失效的螺紋牙進行受力分析，建立有限元模型。

1 疲勞試驗

1.1 試樣制備

根據金屬軸向標準[7]，試樣采用橫截面為圓形的螺紋聯接試樣，其形狀及尺寸如圖1所示。試驗件材料為20MnTiB鋼，調質熱處理。疲勞壽命試驗在PLG-100高頻疲勞試驗機上進行，加載應力比為-1.

圖1 試樣形狀尺寸

1.2 試樣分組

預采用成組法[8]得到二參數S-N曲線斜線部，由前期試驗工作得到了S-N曲線的直線部，并計算出疲勞極限的平均值為400 MPa。由于高應力水平的疲勞壽命遠低于低應力水平的疲勞壽命，且摸索合適的應力水平較易，故試驗應力水平分五級由高到低分成四大組，每組試件個數為6，各組間的應力級差為25～35 MPa，具體如表1所示。

表1 試驗分組

2 疲勞試驗結果分析

2.1 試驗數據分析

隨機抽取30件試樣分成4組，試驗在PLG-100型疲勞試驗機上完成，實驗順序由表2所示。

表2 疲勞壽命測試結果

表2所示是在四級指定應力水平下所得到的疲勞壽命及相應的對數壽命。圖2是將各數據點畫在單對數坐標軸上，然后運用最小二乘法擬合出一條斜線。初步觀察發現，各數據點的分散性很大，①不同級應力水平下數據點都集中在對數壽命值為5～7，沒有顯示出明顯的梯度。②同一應力水平下各數據點離散性跨度較大，且高應力下的高周疲勞階段更為突出[9]。針對以上所得結果運用最小二乘法進行擬合。

圖2S-N曲線

2.2 直線擬合檢驗

直線擬合法是根據S-N曲線在雙對數坐標上為直線關系的假設。在用直線擬合數據點時，一般用最小二乘法擬合，最小二乘法能確定出最佳的擬合直線。但S-N曲線是否可以用直線擬合，可以用相關系數r來檢查，

其中：l為觀測值個數；lgσj為單個觀測值的對數應力；lgNj為單個觀測值的對數疲勞壽命；LSS為對數應力的方差；LNN為對數疲勞壽命的方差；LSN為對數應力和對數疲勞壽命的協方差。

通過計算可得r的絕對值為0.000 46，而r的絕對值越接近1，說明橫坐標壽命值與縱坐標應力值的線性相關性越好。查相關數據表可知，本文數據所對應的相關系數的起碼值rmin=0.361，本文實際數據所求得的相關系數值遠遠小于對應的起碼值，故S-N曲線用直線擬合的條件不成立。這也進一步說明了壽命值與應力值的相關性較差，即兩者的離散性較大不能擬合出一條直線。

3 螺紋失效的ABAQUS分析

3.1 失效螺紋牙受力分析

螺紋聯接是運用最廣泛的聯接方式之一，由于其自身特殊的結構時常導致黏扣現象甚至發生疲勞斷裂失效[10-11]。許多研究人員證實螺紋牙承受的載荷是極度不均勻的，尤其是前幾顆螺紋牙承受載荷最大，這就使得前幾顆螺紋牙表面承受的載荷不均勻[12-15]。

夾具壓盤中心螺紋孔在加工過程中存在0.4 mm的偏心傾斜加工誤差。試樣與夾具聯接后如圖3所示，前兩顆螺紋牙聯接過緊，使得試樣螺紋與壓盤螺紋聯接時螺紋牙接觸不均勻，牙根發生傾斜變形,螺紋牙根部應力集中加劇。圖4基于材料力學的懸臂梁理論給出了螺紋牙在變形失效前后的受力情況，很顯然螺紋牙的受力面所承受的均布力整體偏向了螺紋牙頂側，增大了前幾顆螺紋牙的力矩且進一步擴大了螺紋應力集中現象，在交變的高頻疲勞振動下，最終導致螺紋牙從齒根處斷裂失效。

圖3 試件和夾具螺紋的不合理接觸圖4 夾具螺紋牙變形前與變形后的受力

3.2 有限元模型的建立

本文以疲勞試驗中的試樣和所聯接的夾具為例，夾具尺寸為M16×1的普通三角細牙螺紋，螺紋長度為20 mm，采用二維軸對稱有限元模型對試樣和夾具螺紋聯接在失效的力學性能下進行有限元分析。根據夾具的結構和受力特點作以下假設：①材料為各向同性，忽略螺旋升角的影響；②采用軸對稱結構(ABAQUS關于Y軸對稱)；③螺紋接觸面間的摩擦與潤滑油有關，本文假定取0.02。

建立軸對稱模型，試樣的材料為20MnTiB，夾具的材料為45鋼，彈性模量分別取210和206 GPa，泊松比0.3，施加軸向預緊力16～23 kN，固定夾具壓盤。

圖5為劃分的網格圖，對于螺紋聯接螺紋牙及周邊區域是應力集中較大的區域，所以螺紋牙附近采用細化網格，而其他的不重要的區域采用較粗的網格。

3.3 有限元結果分析

圖6為有限元分析后的Mises應力云圖，很顯然所有螺紋牙根部的應力相對于其他區域要大得多。因為螺紋是典型的缺口件，缺口根部存在很大的應力梯度，故螺紋牙根部會產生很大的局部應力應變。

夾具螺紋的應力梯度較為明顯，第一顆螺紋牙根部紅色區域是等效應力最大的區域，也是應力集中最大的螺紋牙處，符合實際工程中螺紋受力的具體情況，在高頻疲勞試驗中易發生疲勞斷裂。根據力學懸臂梁理論可知，由于夾具螺紋孔向左傾斜1.7°，減小了夾具螺紋與試樣螺紋的接觸面積，其次增大了夾具第一顆螺紋牙的力矩，從第一顆螺紋牙到第4顆螺紋牙類推力矩遞減。圖7為螺紋牙根部的應力曲線圖，從第五顆螺紋牙到第8顆螺紋牙的應力趨于平緩，這是因為從第五顆螺紋牙開始，夾具螺紋牙與試樣螺紋牙的接觸面積增大了，均布載荷的位置由齒頂側偏移到齒根側，同時均布力大小也減小了，相對于前面幾顆螺紋牙，大大減小了后面四顆螺紋牙的應力集中現象。

圖5 夾具和試樣的有限元網格圖圖6 Mises應力云圖

夾具螺紋與試樣螺紋這種不合理的螺紋牙接觸形式，造成螺紋牙面的受力不均勻和變形更加復雜，從而使得螺紋發生粘扣失效的問題更加突出。在高頻疲勞振動下，前幾顆螺紋牙因局部受力過載會導致局部溫度過高，螺紋牙的材料微觀結構發生了改變。在同一應力級差試驗下，螺紋拆卸4或5次后便發生粘扣失效或者斷裂現象。這一現象解釋并驗證了試樣壽命存在較大的分散性，特別在高周疲勞階段。

圖7 螺紋牙根部的最大Mises應力圖

4 結 論

(1)通過ABAQUS對試樣螺紋和夾具螺紋進行分析可知，由于夾具螺紋中心孔存在1.7°傾斜角的加工誤差，使得螺紋副間的載荷分布不均勻，導致：①加劇了夾具螺紋前幾顆螺紋牙根部應力集中現象。②使前幾顆螺紋牙局部接觸溫度過高從而導致螺紋牙材料微觀結構發生了改變。以上兩個原因導致螺紋拆卸4或5次后便發生了斷裂，影響了試驗數據的可靠性。

(2)有限元分析的結果也進一步驗證了直線擬合條件不成立的結論，試樣疲勞壽命分布的分散性較大，高周疲勞階段更為明顯。

(3)螺紋聯接的可靠性對于高頻疲勞振動試驗至關重要， 螺紋牙應力分布不均勻、螺紋牙根部應力集中斷裂、螺紋粘扣等失效形式都是影響螺紋聯接可靠性的重要因素。

針對本文螺紋牙的失效，提出幾種緩減螺紋牙應力集中和黏扣失效的方法：①可以對夾具螺紋表面進行鍍層來改善螺紋黏扣現象；②增大夾具螺紋牙根部圓角半徑可較大程度的緩減應力集中的影響。

[1] 劉啟元. 疲勞試驗機的發展[J]. 試驗技術與試驗機, 1981(1): 10.

[2] 李躍光, 姬戰國. 國內高頻疲勞試驗機的技術現狀及其發展[J]. 試驗技術與試驗機, 2006, 46(1):1-4.

[3] OkAT Fu Ku. Evaluation of the Method for Lowering Stress Concentration at the Thread Root with Modifications of Nut Shape[J]. Proceeding of JSME, 1994,60(580):2782-2788.

[4] 薛 強, 苗德華. 鋼軌接頭螺栓的有限元應力集中分析[J]. 鐵道標準設計, 2004(4): 70-72.

[5] 苗德華, 方 沂, 薛 強, 等. 鋼軌螺栓結構參數對其強度的影響[J]. 天津工程師范學院學報, 2006, 16(2): 5-7.

[6] 王 波. 利用 ABAQUS 分析高強螺栓接觸應[J]. 四川建筑, 2009, 39(2): 182-182.

[7] GB/T 3075-2008, 金屬軸向疲勞試驗方法[S].2008.

[8] 趙少汴. 抗疲勞設計[M]. 北京:機械工業出版社，1994.

[9] 杜洪奎, 袁昌明. 螺栓疲勞壽命預測[J]. 機械設計, 2008, 25(2): 10-12.

[10] 陳守俊, 高連新, 張 毅, 等. 油套管螺紋聯接扣失效過程的試驗研究[J]. 華東理工大學學報(自然科學版), 2012, 38(2): 247-251.

[11] 史 宏,劉金橋,謝國剛. 基于ABAQUS對螺栓斷裂問題仿真分析[J]. 佳木斯大學學報(自然科學版), 2013(2):224-227.

[12] 謝里陽, 徐 灝. 螺栓受力分析的組合結構法及其疲勞壽命估算[J]. 機械設計, 1986(4): 2.

[13] 方 棟, 陳繼志. 高強度螺栓螺紋根部應力集中的有限元分析[J]. 材料開發與應用, 2007,22(2): 37-39.

[14] 林曉龍. 高強度螺栓的應力分析及結構疲勞強度優化[D]. 沈陽：東北大學,2012.

[15] 劉峻亦. 重型螺紋聯接承載能力與修形技術研究[D]. 重慶：重慶大學,2013.

Failure Analysis of the Fatigue Testing Clamp Thread Based on ABAQUS

CHENRong-hua1,CUIJing-wei1,NINGZuo-qing2,SHIHong-jian3

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China;2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China;3.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The thread hole on the clamp pressure plate of high frequency fatigue tester has certain eccentric error in the processing, and will affect the connection strength of clamp thread in the fatigue test and the reliability of the fatigue test data. Fatigue test of 20MnTiB bar by group method was carried out, the data obtained were dotted on the single logarithmic coordinate axis, through calculating the value of correlation coefficient r, these data did not meet the conditions ofS-Ncurve fitting, namely the group data discreteness was larger. Finite element analysis of failure clamp thread was did based on ABAQUS. Stress analysis was carried out on the failure of the thread by finite element model established. Analysis showed that the major cause was eccentric error of clamp thread hole which made the local screw tooth of clamp thread under high stress, the error led to plastic deformation, the result confirmed the test data from larger discreteness and provided certain experience for fatigue test clamp design and protection.

fatigue test; clamp thread; ABAQUS; fatigue life curve; failure of screw tooth

2015-01-30

國家高技術研究發展計劃(863)項目(2012AA040104)資助

陳榮華(1989-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，研究方向：機械系統可靠性設計。

崔敬巍(1976-)，女，遼寧新民人，副教授，主要從事機械系統可靠性設計的研究。

Tel.:13066619719；E-mail:cuijingwei1976@126.com

TG 751.9;TH 114

A

1006-7167(2015)11-0022-04