螺栓疲勞
關注創建者：琴湖暮雪 創建時間：2020-08-19
螺栓疲勞的視頻教程
Ncode designlife 應力/應變疲勞分析
6、疲勞分析案例（學習流程） 7、后處理技巧匯總 8、工程實例講解1—高強螺栓應力疲勞 9、工程實例講解2—齒輪應力疲勞 10、工程實例講解3—壓力容器應變疲勞
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螺栓疲勞的實例教程
借助有限元分析工具, 對某燃汽輪機風扇座環連接螺栓應力及接觸狀態進行了分析研究, 并計算出了螺栓的應力幅值。
將 ASME 標準與應變方法的疲勞曲線進行了對比分析研究, 確定選用 ASME 標準中的疲勞曲線進行螺栓疲勞壽命分析, 并與現場運行統計數據進行對比分析, 給出了一套有效的螺栓疲勞壽命預測方法。并在此基礎上給出提高螺栓使用壽命的結構改進的方法。
螺栓連接作為一種重要的結構連接方式, 已廣泛應用于各類工程領域中。然而, 在高預緊力載荷以及交變載荷作用下, 高強度螺栓發生疲勞斷裂的事故時有發生。針對高強度連接螺栓的疲勞壽命, 科研人員做了大量的研究并取得了一系列成果。
在此基礎上, 本研究以某型號燃汽輪機風扇座環連接螺栓為研究對象, 借助有限元分析方法, 對該螺栓的應力幅值及各連接部件的接觸應力狀態進行了分析和對比研究, 并基于疲勞分析方法對初始以及改進的螺栓壽命進行了預估分析, 從而確定螺栓疲勞的分析方法以及優化改進的方案。
研究對象概況
作為研究對象的某燃汽輪機風扇座環連接螺栓結構布置如圖1所示, 機組運行轉速為 3000 r/min, 在啟停機次數大約 800次之后, 風扇座環連接螺栓發生斷裂。斷口分析認為, 其螺栓破壞為低周疲勞斷裂。
從螺栓疲勞斷口圖 (見圖2) 來看：區域A為裂紋萌生區域, 該區域為螺紋的根部區域, 參考 ASME 標準, 該部位的應力集中系數不小于3.9, 屬于應力敏感區域, 也是螺栓斷裂的常見多發位置;區域 B 為裂紋擴展區域;區域 C 為斷裂失效區。
展開 高強螺栓結構應力與疲勞校核分析報告.zip
高強螺栓的疲勞分析校核。應用WB自帶的疲勞分析模塊，對螺栓進行應力分析和疲勞校核。
特點：疲勞分析模塊的應用；螺栓預緊力；對稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業隱私，和單位法規的規定，隱去報告中含有隱私的 部分，望大家見諒和理解，歡迎大家討論，共同進步。
高強螺栓結構應力與疲勞校核分析報告.zip
高強螺栓的疲勞分析校核。應用WB自帶的疲勞分析模塊，對螺栓進行應力分析和疲勞校核。
特點：疲勞分析模塊的應用；螺栓預緊力；對稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業隱私，和單位法規的規定，隱去報告中含有隱私的 部分，望大家見諒和理解，歡迎大家討論，共同進步。
可采取增大螺紋牙根的圓角半徑、在螺栓頭過渡部分加大圓角（圖 4a）或切制卸載槽（圖 4b、4c）等措施來減小應力集中。
圖4
04
減小應力幅
螺栓的最大應力一定時，應力幅越小，疲勞強度越高。在工作載荷和剩余預緊力不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被聯接件的剛度都能達到減小應力幅的目的（見圖 5），但預緊力則應增大。
圖 5
減小螺栓剛度的措施有：適當增大螺栓的長度；部分減小栓桿直徑或作成中空的結構即柔性螺栓。在螺母下面安裝彈性元件（圖 6），也能起到柔性螺栓的效果。柔性螺栓受力時變形量大，吸收能量作用強，也適于承受沖擊和振動。
圖 6
為了增大被聯接系統的剛度，不宜用剛度小的墊片。圖7 所示的密封連接以用密封圈為佳。
圖 7
05
改善制造工藝
制造工藝對螺栓的疲勞強度有很大影響。對于高強度鋼制螺栓，更為顯著。采用輾制螺紋時，由于冷作硬化的作用，表層有殘余壓應力，金屬流線合理，螺栓疲勞強度比車削的高。碳氮共滲、氮化、噴丸處理都能提高螺栓疲勞強度。
展開 圖2
圖3
03
減小應力集中
螺紋的牙根、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應力集中，是產生斷裂的危險部位。其中螺紋牙根的應力集中對螺栓的疲勞強度影響很大。
可采取增大螺紋牙根的圓角半徑、在螺栓頭過渡部分加大圓角（圖 4a）或切制卸載槽（圖 4b、4c）等措施來減小應力集中。
圖4
04
減小應力幅
螺栓的最大應力一定時，應力幅越小，疲勞強度越高。在工作載荷和剩余預緊力不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被聯接件的剛度都能達到減小應力幅的目的（見圖 5），但預緊力則應增大。
圖 5
減小螺栓剛度的措施有：適當增大螺栓的長度；部分減小栓桿直徑或作成中空的結構即柔性螺栓。在螺母下面安裝彈性元件（圖 6），也能起到柔性螺栓的效果。柔性螺栓受力時變形量大，吸收能量作用強，也適于承受沖擊和振動。
圖 6
為了增大被聯接系統的剛度，不宜用剛度小的墊片。圖7 所示的密封連接以用密封圈為佳。
圖 7
05
改善制造工藝
制造工藝對螺栓的疲勞強度有很大影響。
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如何給汽車零部件進行疲勞耐久測試？11個月前
疲勞失效模式：應力集中處的裂紋擴展（如懸架擺臂球頭銷孔）、焊接 / 螺栓連接處的疲勞斷裂。
測試核心：通過載荷譜模擬路面激勵、動力總成振動等動態應力，結合材料 S-N 曲線評估壽命。
2.橡膠與彈性元件
典型部件：減震器襯套、發動機懸置、密封條、輪胎等。
疲勞失效模式：老化龜裂、彈性衰減（如襯套剛度下降導致 NVH 惡化）、磨損剝落。
‐ 更好地了解由于組裝和服務中加載而產生的連接行為
‐ 失效模式預測和評估
‐ 洞察超出設計條件的行為
? 推薦Ansys模塊
‐ Ansys Mechanical Enterprise
法蘭連接接觸分析
輸入條件
模型幾何參數、螺栓預緊力、內壓
仿真流程
結果與效果
緊固件承載情況，法蘭應力水平等
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煉化工程仿真分析應用與案例分享
壓力容器分析
壓力容器螺栓疲勞分析
對軸承建模仿真方法，螺栓疲勞有限元計算有深入研究
技術鄰名稱：靜默的無線電
技術鄰主頁：https://www.yqgqt.org.cn/z/417904
擅長方向：abaqus有限元仿真，Umat子程序、Uel等、hypermesh網格劃分、patran\nastran有限元仿真
如何聯系專家？
對螺栓疲勞性能影響最大首先是應力幅，然后是局部細節特征，因此對螺栓進行疲勞校核時，可以使用加載前后螺栓桿處的應力幅，比如上圖中加載后相比于預緊時，表面應力只變化了1MPa，也就是使用該值作為應力幅與螺栓疲勞極限進行對比(大部分載荷波動在被連接件中，這也表明預緊的重要性)
螺栓最大拉應力<材料抗拉極限
這部分可能會有伙伴納悶，需要最大拉應力<屈服強度，那不是必然<抗拉強度?
對軸承建模仿真方法，螺栓疲勞有限元計算有深入研究。
正文：技術鄰的朋友大家好，筆者大概2018年因偶然的機緣進入風電行業。其實當時另一款動力學軟件Adams在國內已經得到廣泛應用，那么為什么Simpack作為一匹“黑馬”能夠興起？
那是因為2018年大型風電機組行業還屬于新領域，很多技術依然是借鑒國外做法。
壓力容器穩定性分析
· 外壓容器穩定性分析
· 大型壓力容器非線性屈曲分析
· 壓力容器屈曲分析
· 液壓管屈曲仿真試驗分析
3 壓力容器耦合場分析
· 固定管板式換熱器的熱-結構耦合分析
· 支撐式支座與裙座熱應力分析
· 壓力管道流體-結構-熱耦合及線性化評定分析
· 閥內件（閥芯與導套）滑動間隙分析
· 壓力容器三點焊接殘余應力仿真分析
4 壓力容器疲勞分析
· 壓力容器法蘭螺栓螺紋疲勞壽命分析
就破壞性質而言，約有90%的螺栓屬于疲勞破壞。而且疲勞斷裂常發生在螺紋根部，即截面面積較小并有缺口應力集中的部位(約占其中的85%)，有時也發生在螺栓頭與光桿的交接處(約占其中的15%)。
例如，風力發電機組服役環境復雜而惡劣，既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環境，所用連接螺栓疲勞斷裂高達85%。高強度螺栓的主要失效模式是疲勞，大量的高強度螺栓疲勞失效分析結果表明，70%以上的疲勞失效源自表面損傷、頭桿交接處脫碳、螺紋加工有明顯的細小裂縫或切削加工刀痕不連續處和表面腐蝕物、淬火組織不均勻，因為那兒應力集中度高。這些都與緊固件制造水平有關。
機械設備中螺栓連接一旦松懈，會引起螺栓脫落導致重大安全隱患，或螺栓松弛預緊力下降導致螺栓連接疲勞壽命大大縮短。因此在設計中要選用適當的防松措施保證螺栓在實際使用中不松脫。
設計中常用的防松措施有如下幾種：
1、雙螺母
雙螺母防松也稱對頂螺母防松，當兩個對頂螺母擰緊后，兩個對頂的螺母之間始終存在相互作用的壓力，兩螺母中有任何一個要轉動都需要克服旋合螺紋之間的摩擦力。
