螺栓疲劳寿命计算方法探讨及研究
2016-03-18Discussionandresearchofthecalculationmethodforthefatiguelifeofthebolt
Discussion and research of the calculation method for the fatigue life of the bolt
翟新康
ZHAI Xin-kang
（中航工业一飞院，西安 710089）
螺栓疲劳寿命计算方法探讨及研究
Discussion and research of the calculation method for the fatigue life of the bolt
翟新康
ZHAI Xin-kang
（中航工业一飞院，西安 710089）
摘 要：螺栓作为飞机结构中最重要的传载连接件，其静强度性能已经引起了人们的高度关注，然而由于螺栓为标准件，因而对其疲劳性能重视程度不够。通常对螺栓疲劳寿命计算，也只分析其拉应力对寿命产生的贡献，而忽略其剪切应力对疲劳寿命的影响，这样可能会得到螺栓寿命偏危险的设计结论。介绍了螺栓的受载特点及破坏型式，研究了螺栓应力集中系数的确定方法，通过引入螺栓当量拉应力概念，对螺栓疲劳寿命计算中参考应力的选取方法进行了改进，给出了名义应力法及DFR方法计算螺栓疲劳寿命的一般步骤，最后总结了影响螺栓疲劳寿命的因素，提出了改善螺栓疲劳性能的常见方法。
关键词：螺栓；疲劳寿命；应力集中；名义应力法；疲劳细节额定值
0 引言
飞机结构由上万个零件通过紧固件（螺栓或者铆钉）连接而成，而连接这些零件的紧固件则有几十万个。显然，螺栓的疲劳性能将直接影响飞机的安全。这些螺栓在交变应力的反复作用下，螺纹的受力状态发生变化，使得每圈螺纹上的载荷分布不均匀，螺纹之间相互咬合力加剧，易造成底孔螺纹磨损或破坏，或者导致螺栓根部断裂。因而，螺栓的疲劳寿命应引起足够重视。
1 螺栓的破坏部位
根据螺栓的主要受力状态不同，螺栓可分为受拉螺栓、受剪螺栓、拉剪复合螺栓。
螺栓在静力作用下，受拉螺栓的破坏部位在螺栓最小横截面处。受剪螺栓在纯剪载荷作用下，破坏部位通常在剪切分离面处和挤压支承面处；受剪螺栓在纯弯、剪载荷作用下，破坏部位还可能在最大复合应力部位。
螺栓连接在交变载荷作用下，受拉螺栓的常见破坏部位如图1所示。受剪螺栓伴随有附加弯曲的受载情况，破坏部位和受拉螺栓的破坏部位相似，有时还可能在剪切分离面处破坏。
2 螺栓当量拉应力
通常情况下，在对螺栓疲劳寿命计算时，只计算拉应力产生的影响，而忽略其剪切应力对疲劳寿命引起的影响。然而在飞机结构中，螺栓受力比较复杂，通常除了承受轴向载荷，也会承受部分剪切载荷作用。因此在对螺栓进行疲劳寿命分析时，如果不考虑剪切载荷对螺栓疲劳寿命的影响，将会得到螺栓偏危险的设计。
图1 受拉螺栓的常见破坏部位
3 螺栓应力集中系数及疲劳寿命计算
在应力水平一定的情况下，螺栓的寿命主要取决于螺母和螺栓啮合面处、螺尾处和r处应力集中的大小。
3.1 应力集中系数定义
螺栓应力集中系数定于如下：
螺桩型连接啮合面处螺纹根部：Ktlzh=σzh max/σRmin，式中，σzhmax为啮合面处螺纹根部最大局部拉应力。
3.2 应力集中系数确定
对于一般的机加螺栓和螺母连接，应力集中系数可查表1，对于滚后淬螺栓，也可根据螺纹根部圆角半径Rmin查表来确定。
表1 一般的机加螺栓应力集中系数
对于螺桩型连接，由于传力路线改变，啮合面处的应力集中系数要比螺栓螺母连接的应力集中系数小。
对于六角头部r处的应力集中系数，通常可查阅相关曲线[1～3]，或者直接采用滚后淬螺栓螺母啮合面处的应力集中系数，通常而言，这两种方法确定的应力集中系数均偏严重，而采用滚后淬螺栓螺母啮合面处的应力集中系数更接近实际情况。
受拉螺栓螺纹根部的应力集中系数如图2所示。
图2 受拉螺栓螺纹根部的应力集中系数
3.3 名义应力法计算疲劳寿命
4 受拉螺栓DFR许用值及疲劳寿命计算
在实际工程应用中，螺栓螺纹局部应力状态往往难以准确估算，螺栓几种应力集中系数不易确定，工程人员往往偏向用DFR方法进行疲劳寿命计算。
4.1 DFR许用值
受拉螺栓螺纹滚制阳螺纹的DFR许用值见表2[4]。表中数据根据螺纹根部净截面拉伸应力得到。一般情况下，车制阳螺纹DFR为滚制阳螺纹DFR的0.7倍，车制阴螺纹DFR为滚制阳螺纹DFR的0.6倍。
表2 滚制阳螺纹的DFR
4.2 DFR法计算疲劳寿命
在飞机结构中，按照DFR法进行螺栓疲劳寿命计算，一般分析步骤如下：
5）确定螺栓的细节疲劳额定值DFR：对于车制阳螺纹，D F R = 0 . 7×D F R0，对于车制阴螺纹，DFR=0.6×DFR0，其中，DFR0取值依据螺栓直径D及螺栓热处理强度极限σb确定；
6）根据常规的疲劳分析方法确定螺栓目标寿命飞行次数Nm、疲劳可靠性系数FRF、飞机载荷谱中地空地损伤比λ；
7）确定当量地空地循环数nD：
其中，Nm是目标寿命飞行次数，FRF是疲劳可靠性系数，λ是地空地损伤比；
式中，XGAG=S(5-lgnD)，其中，S及σm0取值依据螺栓材料确定，nD是当量地空地循环数，DFR是螺栓的细节疲劳额定值，R是螺栓的应力比；
9）确定螺栓疲劳裕度M.S.：
10）判断螺栓疲劳裕度M.S.是否大于0，若大于0，则螺栓疲劳满足设计要求，反之，可改变螺栓直径D或螺栓材料或螺栓热处理强度极限σb，返回步骤一，重新进行螺栓设计。
5 影响螺栓疲劳寿命的因素
受拉螺栓在交变载荷作用下的疲劳强度取决于螺栓的几何尺寸、加工方法、热处理程序及使用条件等综合因素的影响。影响受拉螺栓疲劳强度的主要因素如下：
1）材料。不同材料的机械性能和应力集中敏感性不同。
2）加工方法。采用冷墩毛坯加工螺栓，材料流线走向合理，易加工，因而具有较高的疲劳强度。采用切削或磨削加工方法，由于切断了材料的纵向流线，使得螺栓承受交变载荷的能力大大下降。如果对切削加工的螺栓根部进行冷滚压，可以改善Rmin处粗糙度，增大Rmin处尺寸，同时能在表面留下有益残余压应力，因而可以提高其疲劳强度。滚制螺纹加工效率高尺寸精确粗糙度底，不会切断螺纹段材料纵向流线，疲劳性能较好。
3）热处理程序。滚后淬螺栓和切削后淬螺栓相比，在长寿命区滚后淬螺栓疲劳性能较好。滚前淬螺栓和滚后淬螺栓相比，滚前淬螺栓由于在螺纹面及Rmin处留下了残余压应力因而疲劳性能较优，其破坏部位不在啮合面处，而是在r处。滚前淬螺栓在淬火后必须对要滚制螺纹的光杆部分进行吹沙处理或磨削加工，使表面脱去氧化皮，然后冷滚压，才能在螺纹表面留下有益的残余压应力。
4）r处喷丸强化。喷丸处理使材料表面层组织细化，产生了有益的残余压应力。
5）外留扣数。外留扣数（啮合面处到螺尾处扣数）在6～10扣之间，啮合面处到螺栓末端的长度略大于螺母厚度，露出1～3扣，在这个范围内，疲劳性能较佳。
6）螺母厚度。适当增加螺母厚度可以提高螺栓疲劳强度。
7）预紧力。适当增加预紧力可以增加螺栓平均应力，降低应力幅。
8）应力集中。通过改善螺栓连接的几何形状，可以减少啮合面、螺尾处及r处应力集中，从而提高螺栓疲劳性能。
6 结束语
通常，对于长寿命螺栓，由于其应力水平较低寿命较长，通常采用名义应力法估算疲劳寿命。当螺栓应力水平小于50%极限拉伸强度、循环次数在104～106之间时采用DFR计算疲劳寿命显得既简单又有足够的精确度。
参考文献：
[1] 西田正孝.应力集中[M].机械工业出版社,1986.
[2] 彼德逊.设计中的应力集中系数[M].刘纯朴,译中国工业出版社,1965.
[3] 螺栓和耳片强度分析手册[Z].航空航天部《AFFD》系统工程办公室,1988.
[4] 郑晓玲.民机结构耐久性与损伤容限设计手册[Z].航空工业出版社,2003.
[5] 谭申刚.MJ螺纹强度理论与计算[M].西北工业大学出版社,2014.
[6] 航空结构连接件疲劳分析手册[Z].飞机结构强度研究所.1985.
[7] 徐芝纶.弹性力学[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.
[8] 山本晃.郭可谦,译.螺栓连接的理论与计算[M].上海:上海科学技术出版社,1984.
[9] 张红兵,杜建红.有限元模型中螺栓载荷施加方法研究[J].机械设计与制造,1999(6):32-33.
[10] 翟新康,黄其青,殷之平,等.有限元软件在飞机结构打样设计中的应用[J].机械设计与制造,2007,(9):4-6.
[11] 翟新康,李小鹏,张彦军.含裂纹整体翼梁结构剩余强度载荷的估算方法[A].2015年第二届中国航空科学技术大会论文集[C].国防工业出版社,2015:10-13.
[12] 朱正德.螺栓连接的装配质量控制[J].柴油机设计与制造,2006(2):48-50.
[13] 王旭,王生楠.机翼下壁板螺栓连接件疲劳寿命分析[J].航空计算技术,2011(1):70-73.
作者简介：翟新康（1977 -），男，陕西洋县人，高级工程师，硕士，研究方向为飞机结构强度、疲劳与损伤容限设计与试验。
收稿日期：2015-11-07
中图分类号：O346.1
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2016)01-0089-03
