Discussion and research of the calculation method for the fatigue life of the bolt

翟新康

ZHAI Xin-kang

（中航工業(yè)一飛院，西安 710089）

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螺栓疲勞壽命計(jì)算方法探討及研究

Discussion and research of the calculation method for the fatigue life of the bolt

翟新康

ZHAI Xin-kang

（中航工業(yè)一飛院，西安 710089）

摘 要：螺栓作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中最重要的傳載連接件，其靜強(qiáng)度性能已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注，然而由于螺栓為標(biāo)準(zhǔn)件，因而對其疲勞性能重視程度不夠。通常對螺栓疲勞壽命計(jì)算，也只分析其拉應(yīng)力對壽命產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，而忽略其剪切應(yīng)力對疲勞壽命的影響，這樣可能會得到螺栓壽命偏危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)論。介紹了螺栓的受載特點(diǎn)及破壞型式，研究了螺栓應(yīng)力集中系數(shù)的確定方法，通過引入螺栓當(dāng)量拉應(yīng)力概念，對螺栓疲勞壽命計(jì)算中參考應(yīng)力的選取方法進(jìn)行了改進(jìn)，給出了名義應(yīng)力法及DFR方法計(jì)算螺栓疲勞壽命的一般步驟，最后總結(jié)了影響螺栓疲勞壽命的因素，提出了改善螺栓疲勞性能的常見方法。

關(guān)鍵詞：螺栓；疲勞壽命；應(yīng)力集中；名義應(yīng)力法；疲勞細(xì)節(jié)額定值

0 引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)由上萬個(gè)零件通過緊固件（螺栓或者鉚釘）連接而成，而連接這些零件的緊固件則有幾十萬個(gè)。顯然，螺栓的疲勞性能將直接影響飛機(jī)的安全。這些螺栓在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，螺紋的受力狀態(tài)發(fā)生變化，使得每圈螺紋上的載荷分布不均勻，螺紋之間相互咬合力加劇，易造成底孔螺紋磨損或破壞，或者導(dǎo)致螺栓根部斷裂。因而，螺栓的疲勞壽命應(yīng)引起足夠重視。

1 螺栓的破壞部位

根據(jù)螺栓的主要受力狀態(tài)不同，螺栓可分為受拉螺栓、受剪螺栓、拉剪復(fù)合螺栓。

螺栓在靜力作用下，受拉螺栓的破壞部位在螺栓最小橫截面處。受剪螺栓在純剪載荷作用下，破壞部位通常在剪切分離面處和擠壓支承面處；受剪螺栓在純彎、剪載荷作用下，破壞部位還可能在最大復(fù)合應(yīng)力部位。

螺栓連接在交變載荷作用下，受拉螺栓的常見破壞部位如圖1所示。受剪螺栓伴隨有附加彎曲的受載情況，破壞部位和受拉螺栓的破壞部位相似，有時(shí)還可能在剪切分離面處破壞。

2 螺栓當(dāng)量拉應(yīng)力

通常情況下，在對螺栓疲勞壽命計(jì)算時(shí)，只計(jì)算拉應(yīng)力產(chǎn)生的影響，而忽略其剪切應(yīng)力對疲勞壽命引起的影響。然而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，螺栓受力比較復(fù)雜，通常除了承受軸向載荷，也會承受部分剪切載荷作用。因此在對螺栓進(jìn)行疲勞壽命分析時(shí)，如果不考慮剪切載荷對螺栓疲勞壽命的影響，將會得到螺栓偏危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)。

圖1　受拉螺栓的常見破壞部位

3 螺栓應(yīng)力集中系數(shù)及疲勞壽命計(jì)算

在應(yīng)力水平一定的情況下，螺栓的壽命主要取決于螺母和螺栓嚙合面處、螺尾處和r處應(yīng)力集中的大小。

3.1 應(yīng)力集中系數(shù)定義

螺栓應(yīng)力集中系數(shù)定于如下：

螺樁型連接嚙合面處螺紋根部：Ktlzh=σzh max/σRmin，式中，σzhmax為嚙合面處螺紋根部最大局部拉應(yīng)力。

3.2 應(yīng)力集中系數(shù)確定

對于一般的機(jī)加螺栓和螺母連接，應(yīng)力集中系數(shù)可查表1，對于滾后淬螺栓，也可根據(jù)螺紋根部圓角半徑Rmin查表來確定。

表1　一般的機(jī)加螺栓應(yīng)力集中系數(shù)

對于螺樁型連接，由于傳力路線改變，嚙合面處的應(yīng)力集中系數(shù)要比螺栓螺母連接的應(yīng)力集中系數(shù)小。

對于六角頭部r處的應(yīng)力集中系數(shù)，通?？刹殚喯嚓P(guān)曲線[1～3]，或者直接采用滾后淬螺栓螺母嚙合面處的應(yīng)力集中系數(shù)，通常而言，這兩種方法確定的應(yīng)力集中系數(shù)均偏嚴(yán)重，而采用滾后淬螺栓螺母嚙合面處的應(yīng)力集中系數(shù)更接近實(shí)際情況。

受拉螺栓螺紋根部的應(yīng)力集中系數(shù)如圖2所示。

圖2　受拉螺栓螺紋根部的應(yīng)力集中系數(shù)

3.3 名義應(yīng)力法計(jì)算疲勞壽命

4 受拉螺栓DFR許用值及疲勞壽命計(jì)算

在實(shí)際工程應(yīng)用中，螺栓螺紋局部應(yīng)力狀態(tài)往往難以準(zhǔn)確估算，螺栓幾種應(yīng)力集中系數(shù)不易確定，工程人員往往偏向用DFR方法進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

4.1 DFR許用值

受拉螺栓螺紋滾制陽螺紋的DFR許用值見表2[4]。表中數(shù)據(jù)根據(jù)螺紋根部凈截面拉伸應(yīng)力得到。一般情況下，車制陽螺紋DFR為滾制陽螺紋DFR的0.7倍，車制陰螺紋DFR為滾制陽螺紋DFR的0.6倍。

表2　滾制陽螺紋的DFR

4.2 DFR法計(jì)算疲勞壽命

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，按照DFR法進(jìn)行螺栓疲勞壽命計(jì)算，一般分析步驟如下：

5）確定螺栓的細(xì)節(jié)疲勞額定值DFR：對于車制陽螺紋，D F R = 0 . 7×D F R0，對于車制陰螺紋，DFR=0.6×DFR0，其中，DFR0取值依據(jù)螺栓直徑D及螺栓熱處理強(qiáng)度極限σb確定；

6）根據(jù)常規(guī)的疲勞分析方法確定螺栓目標(biāo)壽命飛行次數(shù)Nm、疲勞可靠性系數(shù)FRF、飛機(jī)載荷譜中地空地?fù)p傷比λ；

7）確定當(dāng)量地空地循環(huán)數(shù)nD：

其中，Nm是目標(biāo)壽命飛行次數(shù)，F(xiàn)RF是疲勞可靠性系數(shù)，λ是地空地?fù)p傷比；

式中，XGAG=S(5-lgnD)，其中，S及σm0取值依據(jù)螺栓材料確定，nD是當(dāng)量地空地循環(huán)數(shù)，DFR是螺栓的細(xì)節(jié)疲勞額定值，R是螺栓的應(yīng)力比；

9）確定螺栓疲勞裕度M.S.：

10）判斷螺栓疲勞裕度M.S.是否大于0，若大于0，則螺栓疲勞滿足設(shè)計(jì)要求，反之，可改變螺栓直徑D或螺栓材料或螺栓熱處理強(qiáng)度極限σb，返回步驟一，重新進(jìn)行螺栓設(shè)計(jì)。

5 影響螺栓疲勞壽命的因素

受拉螺栓在交變載荷作用下的疲勞強(qiáng)度取決于螺栓的幾何尺寸、加工方法、熱處理程序及使用條件等綜合因素的影響。影響受拉螺栓疲勞強(qiáng)度的主要因素如下：

1）材料。不同材料的機(jī)械性能和應(yīng)力集中敏感性不同。

2）加工方法。采用冷墩毛坯加工螺栓，材料流線走向合理，易加工，因而具有較高的疲勞強(qiáng)度。采用切削或磨削加工方法，由于切斷了材料的縱向流線，使得螺栓承受交變載荷的能力大大下降。如果對切削加工的螺栓根部進(jìn)行冷滾壓，可以改善Rmin處粗糙度，增大Rmin處尺寸，同時(shí)能在表面留下有益殘余壓應(yīng)力，因而可以提高其疲勞強(qiáng)度。滾制螺紋加工效率高尺寸精確粗糙度底，不會切斷螺紋段材料縱向流線，疲勞性能較好。

3）熱處理程序。滾后淬螺栓和切削后淬螺栓相比，在長壽命區(qū)滾后淬螺栓疲勞性能較好。滾前淬螺栓和滾后淬螺栓相比，滾前淬螺栓由于在螺紋面及Rmin處留下了殘余壓應(yīng)力因而疲勞性能較優(yōu)，其破壞部位不在嚙合面處，而是在r處。滾前淬螺栓在淬火后必須對要滾制螺紋的光桿部分進(jìn)行吹沙處理或磨削加工，使表面脫去氧化皮，然后冷滾壓，才能在螺紋表面留下有益的殘余壓應(yīng)力。

4）r處噴丸強(qiáng)化。噴丸處理使材料表面層組織細(xì)化，產(chǎn)生了有益的殘余壓應(yīng)力。

5）外留扣數(shù)。外留扣數(shù)（嚙合面處到螺尾處扣數(shù)）在6～10扣之間，嚙合面處到螺栓末端的長度略大于螺母厚度，露出1～3扣，在這個(gè)范圍內(nèi)，疲勞性能較佳。

6）螺母厚度。適當(dāng)增加螺母厚度可以提高螺栓疲勞強(qiáng)度。

7）預(yù)緊力。適當(dāng)增加預(yù)緊力可以增加螺栓平均應(yīng)力，降低應(yīng)力幅。

8）應(yīng)力集中。通過改善螺栓連接的幾何形狀，可以減少嚙合面、螺尾處及r處應(yīng)力集中，從而提高螺栓疲勞性能。

6 結(jié)束語

通常，對于長壽命螺栓，由于其應(yīng)力水平較低壽命較長，通常采用名義應(yīng)力法估算疲勞壽命。當(dāng)螺栓應(yīng)力水平小于50%極限拉伸強(qiáng)度、循環(huán)次數(shù)在104～106之間時(shí)采用DFR計(jì)算疲勞壽命顯得既簡單又有足夠的精確度。

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作者簡介：翟新康（1977 -），男，陜西洋縣人，高級工程師，碩士，研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞與損傷容限設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。

收稿日期：2015-11-07

中圖分類號：O346.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0089-03