螺紋緊固件8.8、9.8、10.9、12.9和12.9等級別,材質為低合金鋼或低、中碳鋼並經熱處理(淬火、回火),通稱為高強度螺栓,螺紋連接是機械連接中的重要方式。
目前,由於高強度或超高強度鋼製造的螺紋緊固件在實際工程中存在結構強度不確定的問題,其主要原因是標準配合螺紋在發生塑性變形後,其配合螺紋之間的應力分佈及由塑性變形帶來的局部高應力轉移不確定性,這就導致配合的螺紋緊固件的某些螺紋根部應力非常大,從而帶來結構強度破環和早期疲勞失效。
螺紋緊固件的疲勞和一般疲勞一樣,存在著5個必要條件:
①交變工作載荷;
②高於疲勞極限的應力副;
③疲勞源;
④環境介質;
⑤材料的敏感性。螺栓連接疲勞失效可從這5個方面著手,進行設計時的疲勞失效預防和疲勞失效分析。
螺紋緊固件的疲勞失效可以在設計中避免的。螺紋緊固件的疲勞失效,大多數都不是因為螺紋緊固件的質量問題引起的,而是設計的不合理。因此,設計初期,就應對工作載荷進行計算,可以通過合理的緊固點佈置和螺栓結構尺寸設計優化,並施加足夠的夾緊力,使螺栓在工作中,應力幅控制在設計的範圍內,必將大幅地降低螺栓疲勞失效的概率,從而為客戶提供高品質的產品。
經查閱相關文獻資料,目前對塑性變形下的螺紋受力特性研究甚少,從而根本上嚴重製約了螺栓高強度結構或超高強度方向的應用與發展。
如30CrMnSiA鋼螺栓最低屈服強度975Mpa,抗拉強度1080Mpa。通過對螺紋三維有限元分析表明,從計算結果來看,配合螺紋最大應力為946Mpa,位於外螺紋的最後一螺紋處。
通過高強度螺栓螺紋最大應力曲線圖讀取螺紋的塑性變形值,其外螺紋第1牙螺紋塑性變形最大;外螺紋中,從第7牙螺紋開始,應力明顯降低。可以看出,在發生塑性變形下的配合螺紋中,由於前面螺紋牙型發生塑性變形,最大應力不再是第1牙螺紋最大,而是轉移到第3牙螺紋和第4牙螺紋,這在最大應力曲線圖中也能夠得到很明顯的體現,在螺紋根部存在高應力區,其高應力分佈方向基本與牙側垂直。
用螺紋三維有限元設計,牙高優化設計結果表明,在發生塑性變形下的螺紋配合,要獲得其螺紋根部最大應力最小且前端3螺紋應力水平相當,則須使前端3螺紋牙高相等且牙高約為原牙高的2/3,才能在連接螺紋塑性變形不一致的情況下,使應力與牙高對載荷分配之間達到等強度匹配。隨著牙高的增加,牙高最大應力以及相互牙根應力差也隨之增大。為此,設計時需以牙高為優化對象,達到對螺紋等強度的目的,為塑性變形下配合螺紋的應力分佈特性及牙高等應力優化提供參考。
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