螺紋斷裂問題的分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

宰守香

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

螺紋斷裂問題的分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

宰守香

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

螺栓連接作為一種應(yīng)用最為廣泛的鋼結(jié)構(gòu)連接方式，其自身的可靠性對(duì)結(jié)構(gòu)的整體可靠性影響極大。本文通過對(duì)各類螺栓在使用過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象的研究，利用三維有限元計(jì)算及理論分析，找到大噸位螺桿斷裂的一般性原因，并給出解決此問題的有效方法，為螺栓連接的設(shè)計(jì)及進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)，對(duì)提高各類螺栓連接的安全性有重要的指導(dǎo)意義。

螺栓；斷裂；有限元；懸置螺母

螺栓連接作為一種應(yīng)用最為廣泛的鋼結(jié)構(gòu)連接方式，其自身的可靠性對(duì)結(jié)構(gòu)的整體可靠性影響極大［1-3］。尤其是大噸位鋼結(jié)構(gòu)連接螺栓，由于螺栓群數(shù)量巨大，安裝拆除過程繁瑣，現(xiàn)在越來越多的結(jié)構(gòu)采用了大直徑的螺栓（直徑在60mm以上）法蘭箱連接，以減少人工操作時(shí)間［4］。

類似圖1結(jié)構(gòu)中螺栓數(shù)量少，對(duì)單個(gè)螺栓的可靠性要求更高，雖然在設(shè)計(jì)制造過程中充分考慮了安全系數(shù)、熱加工工藝等，但在工程實(shí)踐中螺栓仍常在螺紋處發(fā)生斷裂（見圖2）。

圖1 螺栓法蘭箱應(yīng)用實(shí)例

圖2 高強(qiáng)螺栓斷裂實(shí)照

1 螺桿斷裂的原因

通常情況下，影響螺栓強(qiáng)度的因素主要涉及螺紋牙的載荷分配、應(yīng)力變化幅度、應(yīng)力集中、附加應(yīng)力、材料的機(jī)械性能和制造工藝等，使用過程中螺桿可能發(fā)生斷裂的原因主要有以下幾種：①設(shè)計(jì)本身的螺紋聯(lián)接強(qiáng)度沒有滿足荷載要求；②螺栓選擇的材質(zhì)沒有滿足荷載要求；③螺栓加工過程中熱處理工藝、方法或熱處理結(jié)果沒有滿足要求，降低了螺紋聯(lián)接的機(jī)械性能；④螺紋的加工精度沒有滿足要求，使得內(nèi)外螺紋貼合不良，導(dǎo)致螺紋受力不利；⑤安裝過程中，對(duì)各螺栓施加的預(yù)應(yīng)力不足或不均勻?qū)е侣菟ǔ休d失敗［5］。

雖然設(shè)計(jì)人員對(duì)連接的重視程度越來越高，工藝越來越完善，現(xiàn)場(chǎng)操作工具越來先進(jìn)。但是，螺栓斷裂的現(xiàn)象仍然時(shí)有發(fā)生，說明上述幾種情況不是螺栓斷裂的一般性原因。

從現(xiàn)在國(guó)內(nèi)普遍使用的螺栓連接方式來看，螺母均為普通螺母，而普通螺母握持螺紋傳力時(shí)，螺母端部支承。理論上，螺桿、螺母都是絕對(duì)的剛體，只要螺紋牙的幾何形狀及裝配足夠精確，載荷將沿著螺紋牙均勻分布。但是，實(shí)際上，絕對(duì)的剛體是不存在的，螺桿、螺母的材料在受載后會(huì)發(fā)生彈性變形。此時(shí)螺母受壓，螺紋的螺距減小；而螺桿受拉，螺紋的螺距增大。因?yàn)槁菽概c螺桿的變形性質(zhì)不同，導(dǎo)致各圈螺紋上的受力不同。又因?yàn)槁菽缚拷С袛嗝娴穆菁y螺距壓縮量最大，而螺桿旋入端的螺紋螺距的伸長(zhǎng)量為最大。螺紋螺距的變化差以該圈處為最大，使得該圈螺紋受力最大。試驗(yàn)證明，約有1/3的載荷集中在第一圈螺紋牙上，而第八圈以后的螺紋牙幾乎不承受荷載。如此大的荷載導(dǎo)致螺桿旋入端的螺紋根部應(yīng)力超限，低周期應(yīng)力循環(huán)后可能使得該圈螺紋根部產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致螺桿于此處斷裂。

2 設(shè)計(jì)階段的解決方法

為了確保螺桿螺紋旋合段第一圈螺紋根部疲勞應(yīng)力不超限，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮采取如下方法：①降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅；②改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象；③減小應(yīng)力集中的影響；④采用合理的制造工藝方法［6］。

從螺桿斷裂原因及幾項(xiàng)解決方法綜合考慮可知，選擇均載螺母以使得各圈螺紋受力均勻，應(yīng)當(dāng)是較為有效、安全、經(jīng)濟(jì)的解決辦法。懸置螺母與環(huán)槽螺母、內(nèi)斜螺母等均載螺母結(jié)構(gòu)形式相互比較而言，懸置螺母的載荷均布效果最好，本文利用實(shí)體有限元對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

3 懸置螺母工作原理

懸置螺母的支承端為螺桿的旋出端，使得螺母的螺紋區(qū)段與螺桿的受力變形性質(zhì)一致，均為受拉變形。如果能夠使得螺母的螺紋區(qū)段變形與螺桿螺紋區(qū)段變形完全一致，則應(yīng)保證旋合段螺紋牙傳力均勻。

4 懸置螺母軸向截面的選擇

因?yàn)槁菽傅拿咳β菁y牙受載與螺桿對(duì)應(yīng)螺紋牙受載大小相等，方向相反。為了保證螺紋牙受載一致，以一個(gè)螺距為例做如下推導(dǎo)：

對(duì)于螺母，Δ=（N×P）/（E1×A1）

對(duì)于螺桿，Δ=（N×P)/（E2×A2）

其中，Δ為螺距伸長(zhǎng)量；N為螺紋受載；P為螺距；E1、E2為螺母及螺桿的材料彈性模量；A1、A2為螺母及螺桿的螺紋區(qū)間截面凈面積。

因?yàn)槁菽概c螺桿對(duì)應(yīng)螺紋牙處螺距伸長(zhǎng)量Δ協(xié)調(diào)一致，則有E1×A1=E2×A2；因?yàn)槁菽概c螺桿材料均為鋼材，彈性模量基本相同，則有A1=A2，即螺母與螺桿的螺紋區(qū)段截面凈面積相等。

據(jù)此可查相關(guān)表格得到不同直徑、不同螺距的螺桿外螺紋的小徑d及相應(yīng)內(nèi)螺紋的大徑D，從而求出懸置螺母懸置段外徑Dw：=（d2+D2）0.5。

以上推導(dǎo)中取螺桿及螺母的材料彈性模量相等，并忽略了螺紋牙的面積及螺紋牙受載變形的影響。

5 有限元模型分析比較

為了能夠更加明確地比較普通螺母連接與懸置螺母連接二者之間的差別，本文針對(duì)某大噸位螺桿，建立有限元實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型參數(shù)為：材料均為40CrNiMo合金鋼，調(diào)質(zhì)處理，彈性模量190GPa，泊松比0.26，抗剪模量78GPa；螺紋為Tr140×14，外螺紋大徑142mm，內(nèi)螺紋小徑124mm，螺紋共7圈；懸置段螺母外徑185mm，螺桿旋入端外楞倒角5mm×30mm，支承段螺母外徑240mm，支撐段厚度50mm；普通螺母外徑210mm，螺桿光桿部分直徑124mm；承載2 500kN。模型及計(jì)算結(jié)果分析如下。

5.1 普通螺母連接方式及計(jì)算結(jié)果

普通螺母連接方式及計(jì)算結(jié)果見圖3。網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，單元大小為18.014 3mm，公差為0.900 716mm，節(jié)總數(shù)為26 369，單元總數(shù)為17 359。

螺桿螺紋旋入端第一圈的受載為本方式下第二圈的1.57倍，第三圈的2.25倍，第四圈的3.04倍，第五圈的4.01倍，第六圈的4.88倍，第七圈的4.97倍，約為平均載荷的2.28倍，普通螺母各圈螺紋牙載荷分布不均勻明顯。較明顯的受載規(guī)律為螺桿螺紋旋入端螺紋受載較大，以后依次遞減，荷載變化的趨勢(shì)是前三圈減少趨勢(shì)較陡，至第六圈、第七圈時(shí)變化趨緩。螺紋旋入端第一圈螺紋牙承受全部荷載的約32.6%，與已有研究一致［1-2］。

5.2 懸置螺母連接方式及計(jì)算結(jié)果

懸置螺母連接方式及計(jì)算結(jié)果見圖4。網(wǎng)格類型為實(shí)體網(wǎng)格，單元大小為18.759 7mm，公差為0.937 986mm，節(jié)總數(shù)為26 041，單元總數(shù)為16 700。

從網(wǎng)格情況可知，前后兩次計(jì)算方式、方法一致，網(wǎng)格、單元亦同，故兩者對(duì)比數(shù)據(jù)有很好的可參考性。

螺桿螺紋旋出端第一圈的受載為本方式下第二圈的1.18倍，第三圈的1.19倍，第四圈的1.23倍，第五圈的1.26倍，第六圈的1.17倍，第七圈的1.02倍，約為平均載荷的1.14倍，懸置螺母的均載效果良好，各圈螺紋受載趨于均勻。應(yīng)力集中被大大降低（見表1），從而證實(shí)了本文對(duì)螺紋斷裂原因的分析的正確性，以及所采取措施的合理性。

圖3 普通螺母、螺紋之模型、網(wǎng)格劃分及受載后von Mises應(yīng)力圖

圖4 懸置螺母、螺紋之模型、網(wǎng)格劃分及受載后von Mises應(yīng)力圖

表1 螺桿各圈螺紋分配荷載統(tǒng)計(jì)比較表

通過對(duì)有限元模型計(jì)算結(jié)果的分析比較可知，懸置螺母方式螺桿螺紋根部最大應(yīng)力值約為普通螺母方式螺桿螺紋螺紋根部的最大應(yīng)力值的54.5%，有效地降低了螺紋根部的應(yīng)力，有效地解決了螺紋根部的應(yīng)力集中問題，提高了螺紋連接的可靠性。

6 結(jié)論

經(jīng)過理論分析及三維有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在螺紋設(shè)計(jì)中采用懸置螺母構(gòu)造可使得各圈螺紋均勻受載，有效降低螺桿螺紋根部的應(yīng)力峰值，提高螺紋聯(lián)接的承載能力，從而在設(shè)計(jì)階段保證了螺紋的承載安全性。

此外，建議在設(shè)計(jì)過程中避免螺栓受彎，并盡量采用合理的制造加工工藝，如采用冷鐓螺栓頭部和滾壓螺紋的工藝方法，可以顯著提高螺栓的疲勞強(qiáng)度，并保證連接副的安全及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。

［1］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.7版.北京：高等教育出版社，2001.

［2］劉鵠然，胡慶夕.懸置螺母的最佳軸截面曲線［J］.機(jī)械，1997（5）：30-31.

［3］劉昌奎.30CrMnSiA螺栓斷裂原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2008（2）：42-47.

［4］張永杰，孫秦.帶預(yù)緊力受剪螺栓連接剛度分析［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2007（4）：22-25.

［5］張崧，謝黎奎.鋼結(jié)構(gòu)工程高強(qiáng)螺栓施工技術(shù)控制措施［A］//河南省建筑行業(yè)優(yōu)秀論文集［C］.鄭州：河南人民出版社，2007.

［6］劉雷，李培耀.高強(qiáng)度螺栓材料的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：173-179.

Analysis and Structural Optimization of Thread Fracture

Zai Shouxiang
（Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou Henan 451191）

As one of the most widely used steel structure connection mode,the reliability of bolt connection is critical to the overall reliability of structures.In this paper,through the study of the fracture phenomenon of various kinds of bolts in use,the general cause of fracture of large tonnage screw rod was found by means of 3D finite element calculation and theoretical analysis,and an effective method to solve this problem was given,which provide a theoretical basis for design and further optimization of bolt connection.It has important guiding significance for improving the safety of various bolted connections.

bolt；fracture；finite element；suspension nut

U279.3

A

1003-5168（2017）07-0066-03

2017-06-19

宰守香（1966-），女，副教授，研究方向：車輛工程，機(jī)械制造及其自動(dòng)化，自動(dòng)控制等領(lǐng)域。