余育青

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000）

1 引 言

聯(lián)接螺栓具有使用方便、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于生活中的各種機(jī)構(gòu)、機(jī)械、設(shè)備中，但在關(guān)鍵的部件中對(duì)螺栓壽命必須加強(qiáng)科學(xué)的管理。企業(yè)中螺栓管理存在以下幾種問題：忽略、粗放、事后分析。

如果忽略對(duì)關(guān)鍵部件中的螺栓壽命管理，存在安全隱患的可能性倍增，造成的危害和損失難以統(tǒng)計(jì)。即使有時(shí)做點(diǎn)檢查，意識(shí)到安全問題的存在，但只作粗放管理，看似能解決問題，由于缺乏科學(xué)性，隱患問題還是存在。而出了問題事后分析是典型的補(bǔ)救措施，存在滯后的突出問題。生活中小螺栓引起大事情有不少例子。2003 年6 月4 日，新疆某一大型游樂設(shè)施阿拉伯飛毯出現(xiàn)事故就是其中一例。

螺栓疲勞、斷裂問題所牽涉的學(xué)科門類非常廣泛。本文基于疲勞、斷裂基礎(chǔ)理論，利用現(xiàn)今高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用的信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云技術(shù)，設(shè)計(jì)以應(yīng)力應(yīng)變譜、損傷累計(jì)理論、壽命計(jì)算方程等為主要功能的螺栓壽命管理軟件結(jié)構(gòu)，采用交互式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)解決方案。

2 項(xiàng)目意義

國(guó)內(nèi)學(xué)者在聯(lián)接螺栓疲勞的研究方面做了一定工作，但是基礎(chǔ)理論研究和疲勞試驗(yàn)都相對(duì)有限，較多文獻(xiàn)研究的是利用ANSYS、MSC.Marc、Algor.FEA 等軟件中的疲勞分析模塊對(duì)聯(lián)接螺栓的疲勞壽命進(jìn)行估算和分析。在聯(lián)接螺栓的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型方面，國(guó)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)有較為扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，做了大量的試驗(yàn)和基礎(chǔ)理論研究，在此領(lǐng)域處于領(lǐng)頭羊的地位。國(guó)內(nèi)學(xué)者應(yīng)用現(xiàn)成軟件的疲勞分析模塊和軟件自帶的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)固然方便了研究者的分析工作，如對(duì)結(jié)論不作進(jìn)一步的對(duì)比研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只是照搬照套，不利于對(duì)聯(lián)接螺栓的疲勞壽命深入分析，更不可能改進(jìn)已有理論或發(fā)展新的理論。

圖1 聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)螺栓疲勞方面需做大量的試驗(yàn)和基礎(chǔ)研究問題，文中構(gòu)建了一種聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)的模型。該模型旨在管理和分析進(jìn)一步研究對(duì)比資料中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)為改進(jìn)已有理論或發(fā)展新的理論打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，促進(jìn)并提升發(fā)展抗疲勞、抗斷裂實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)。對(duì)開發(fā)聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3 基本思路

系統(tǒng)對(duì)聯(lián)接螺栓的疲勞壽命計(jì)算的基本思路是：（1）確定聯(lián)接螺栓疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力應(yīng)變譜。（2）采用線性損傷累積理論、雙線性損傷累積理論、損傷曲線法等幾種不同的疲勞損傷累積理論，結(jié)合零平均應(yīng)力和非零平均應(yīng)力下的ε-N 曲線，初步確定聯(lián)接螺栓危險(xiǎn)部位的疲勞壽命。（3）根據(jù)所計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，從中找出差距并分析原因。研究人員及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行理論證明，為后續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，以便促進(jìn)并提升發(fā)展抗疲勞、抗斷裂實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)。（4）系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫的交互解決方案，在用戶與系統(tǒng)交互，Web 服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)層提供的功能訪問數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流暢運(yùn)行，這種架構(gòu)方式方便管理和系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)。

4 總體功能結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力的確定、強(qiáng)度分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)問題進(jìn)行分析，確定了應(yīng)力應(yīng)變譜、損傷累計(jì)理論、壽命計(jì)算方程為主要功能的聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖如圖1。

系統(tǒng)在充分考慮聯(lián)接螺栓機(jī)件的強(qiáng)度特征、分離特征、疲勞特征、動(dòng)力特征等方面的準(zhǔn)則來計(jì)算預(yù)緊應(yīng)力，并進(jìn)行相應(yīng)校驗(yàn)。聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)由聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力、機(jī)動(dòng)載荷、離心載荷、熱載荷和氣動(dòng)力構(gòu)成了載荷特征分析模型。正是由于螺栓聯(lián)接失效的重要性，在研究已有的強(qiáng)度分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)理論、損傷累計(jì)理論、壽命計(jì)算方程等基礎(chǔ)條件下，改進(jìn)已有理論或發(fā)展新的理論是研究聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)的必由之路。螺栓聯(lián)接失效的問題，是研究聯(lián)接螺栓壽命管理系統(tǒng)的靈魂。

5 數(shù)據(jù)庫交互的三層架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫交互采用流行的B/S 模式三層架構(gòu)，分別為表現(xiàn)層、交互技術(shù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層，如圖2 所示。前端是系統(tǒng)與用戶交互層。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)在Web 瀏覽器顯示上，對(duì)用戶輸入的數(shù)據(jù)獲取、檢驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)傳給中間交互技術(shù)服務(wù)層。中間交互技術(shù)服務(wù)層具有實(shí)現(xiàn)處理應(yīng)用中全部事務(wù)程序的功能，該層在Web 服務(wù)器上。后臺(tái)是數(shù)據(jù)庫層，用來實(shí)現(xiàn)與Web 服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互，該層在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。

由于用戶利用ANSYS、MSC.Marc、Algor.FEA 等軟件中的疲勞分析模塊對(duì)聯(lián)接螺栓的疲勞壽命進(jìn)行估算和分析中存在異構(gòu)數(shù)據(jù)，為保證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整和數(shù)據(jù)庫的完整和安全，對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳遞，中間交互層做了標(biāo)準(zhǔn)接口，方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和滿足更多的用戶需求。這種方式保證了對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程用戶利用系統(tǒng)資源的功能，也為廠家對(duì)使用螺栓客戶提供了新的服務(wù)模式，更為客戶建立和管理聯(lián)接螺栓壽命庫帶來系統(tǒng)性的改觀。此功能可為后續(xù)開發(fā)螺栓壽命監(jiān)測(cè)提供必要的技術(shù)支持。

圖2 數(shù)據(jù)庫交互的三層架構(gòu)

6 結(jié) 語

設(shè)系統(tǒng)的開發(fā)，為促進(jìn)抗疲勞、抗斷裂實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，分析研究聯(lián)接螺栓疲勞方面大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)提供條件，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于大量的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以及可靠的理論模型，便于對(duì)聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力、強(qiáng)度、疲勞壽命做出更精確的評(píng)價(jià)。

開發(fā)良好的用戶界面，方便用戶在此環(huán)境中對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互操作。驗(yàn)證本系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是否相一致是完善本系統(tǒng)的關(guān)鍵，這些工作在今后有待完成。

本系統(tǒng)為方便研究者的分析對(duì)比工作，從而改進(jìn)已有理論或發(fā)展新的理論，通過基礎(chǔ)工作的積累，形成自主創(chuàng)新的聯(lián)接螺栓的疲勞壽命計(jì)算理論和技術(shù)。

［1］ 山本晃.螺紋聯(lián)接的理論與計(jì)算［M］.郭可謙，等譯.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1984.

［2］ 緊固件聯(lián)接設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫委員會(huì).緊固件聯(lián)接設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990.

［3］（美）STEPHENS R K，et al.Database Design［M］.何玉潔，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.