1、螺栓失效風險分析的必要性

螺栓被稱為“工業之米”，是應用最廣泛的基礎零件之一。緊固件是傳遞載荷的重要連接節點，其可靠性與整個裝備或結構的安全可靠運行密切相關。隨著制造業水平的提高和對產品可靠性的愈發重視，對緊固件失效的關注度也越來越高。失效分析是提高產品可靠性的重要途徑，有助于改進設計、預防事故發生，主要分析內容為：

(1) 緊固件失效、松動仿真模型；

(2) 預測失效原因、失效模式及位置；

3)與實驗對比，得出仿真精度。

2、螺栓失效模式與主要原因

2.1、 拉伸（伸長變形）、斷裂

? 超擰

? 材料缺陷

2.2、 咬死

? 螺紋間隙減少至零

? 螺紋壓力面粘著

2.3、 滑牙（脫扣）

? 螺紋脫碳

? 螺母高度不足

2.4、 熱疲勞

? 螺紋擰緊速度過快（摩擦熱）

? 高溫

研究內容

1、 單螺栓數值仿真模型

△圖1：單螺栓數值模擬技術路線

2、 螺栓失效模式及準則

2.1 單螺栓數值模擬

2.2 溫度載荷

△圖2：螺栓頭部及接觸面接觸狀態變化

2.3 評價標準

① RF (N)：剩余軸向力/預緊力比值（首先考慮指標）

② RT (N)：擰松力矩/預緊力矩，RF (N)下降但RT (N)不一定下降（咬合現象）

△圖3：螺栓松動實驗

△圖4：典型的螺紋聯接松動曲線

3、 整機模型數值仿真分析

△圖5：整機數值模擬技術路線

4、 失效模式、風險及位置

整機數值模擬計算最大位移、墊片應力、接觸面應力、螺栓應力

△圖6：整機數值模擬計算結果

5、實驗對比分析

采用電液伺服疲勞試驗機、光學顯微鏡、壓力傳感器、力矩扳手等實驗設備和儀器進行螺栓側向位移載荷螺栓松動實驗，并對實驗對象進行3D形貌分析、剩余軸向力分析、擰松力矩分析。

△圖7：實驗對比分析結果

經典案例

一、基于熱-力耦合分析的LNG低溫軟管內波紋管的疲勞性能研究

△圖8：軟管內波紋管的疲勞仿真

1、 波紋管熱-力耦合分析（輸送壓力載荷）

Goodman 公式轉換應力曲線的應力幅值：

2、 波紋管在常溫-低溫交變載荷作用下的疲勞性能

利用Basquin公式描述材料的S-N曲線，求在某一應力水平下的疲勞壽命：

3、聚焦波紋管的應力熱點區域，開展結構優化

基于Miner線性損傷累計理論，描述LNG低溫軟管內波紋管在壓力、常溫-低溫循環載荷符合作用下的損傷量：

二、循環載荷下柔性管線接頭鎧裝鋼絲粘結損傷分析

△圖9：鎧裝鋼絲與樹脂粘結有限元模型

1、 疲勞載荷下樹脂溫度的變化

△圖10：樹脂試樣表面溫度變化

2、 疲勞載荷下樹脂彈性模量的變化

△圖11：樹脂彈性模量隨溫度變化關系

3、 樹脂在循環載荷下的損傷累積

△圖12：環氧樹脂表面溫度-循環次數曲線

4、 循環次數-溫度變化-動態彈性模量-損傷累積之間的關系

△圖13：界面損傷與循環次數關系