螺栓斷裂
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-19
螺栓斷裂的視頻教程
爆炸螺栓動(dòng)態(tài)斷裂仿真計(jì)算
2、電腦配置及其軟件版本 系統(tǒng)：win 7 處理器：NCPU 2 前處理：Truegrid 3.13 求解器：lsdyna R13 后處理：lsprepost 4.11 3、計(jì)算結(jié)果 3.1速度 3.2位移 3.3加速度 3.4螺栓斷裂圖
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螺栓斷裂的實(shí)例教程
制造一批規(guī)格為M42 mm×230 mm，材質(zhì)為42CrMoA，性能等級(jí)為10.9級(jí)的高強(qiáng)度六角螺栓。螺栓的加工工藝為：原材料退火→無心車削→鋸料→平端面倒角→磷化潤滑→縮桿→熱鍛→六角頭倒角→熱處理(調(diào)質(zhì))→校直→滾壓螺紋，調(diào)質(zhì)過程使用網(wǎng)帶爐處理。在校直工序中2件發(fā)生斷裂，斷裂位置大約在螺桿軸向1/2處(見圖1)。在校直過程中發(fā)生2件螺栓斷裂后隨即停止了該批次其余螺栓的校直。為查找螺栓斷裂原因，避免同類事件再次發(fā)生，筆者對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行了相關(guān)的檢驗(yàn)與分析。
1 理化檢測(cè)
1.1 宏觀檢測(cè)
1.1.1 斷口宏觀分析
兩根螺栓均斷裂在螺桿約1/2處校直彎曲部位，見圖 1(a)。斷口整體呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷口呈現(xiàn)由中心向四周的輻射狀條紋，斷口外層為光滑平整的脆性斷口，斷口表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的宏觀塑形變形及夾渣物，圖2箭頭位置為校直工序中開裂。表明裂紋從心部起裂，向四周擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。
1.1.2 低倍檢驗(yàn)
在斷裂螺栓斷口以下20 mm處沿橫向取樣，進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，螺栓心部存在大量縮孔。檢驗(yàn)結(jié)果為：一般疏松1級(jí)，中心疏松2級(jí)，一般斑點(diǎn)狀偏析<1級(jí)，見圖3，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其它宏觀缺陷。
(a) 斷裂螺栓的整體圖；(b)螺栓的斷裂處
圖1 斷裂螺栓
(a) General drawing of broken bolt；(b) The breakpoint of bolts
Fig.1 Broken bolt
圖2 斷口宏觀形貌
Fig.2 Macromorphology of fracture
1.2 化學(xué)成分分析
在螺栓近斷裂位置約20 mm處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。
展開 螺栓松動(dòng)是常有的事，但若不注意，往往會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)、部件損壞，甚至人員傷亡。如何擰緊一個(gè)小小的螺母，一直是機(jī)械設(shè)計(jì)中長盛不衰的話題，大家比較了解的，例如日本的偏心螺母、唐氏螺母和中國自緊王螺母，但我們今天不講這些緊固件界的明星，我們來聊聊工作中最基本的固定螺母的方法。
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螺栓為什么越擰越緊呢？
一般情況下，我們對(duì)于螺栓斷裂從以下四個(gè)方面來分析：
第一、螺栓的質(zhì)量
第二、螺栓的預(yù)緊力矩
第三、螺栓的強(qiáng)度
第四、螺栓的疲勞強(qiáng)度
實(shí)際上，螺栓斷裂絕大多數(shù)情況都是因?yàn)樗蓜?dòng)而斷裂的，是由于松動(dòng)而被打壞的。因?yàn)?em>螺栓松動(dòng)打斷的情況和疲勞斷裂的情況大體相同，最后，我們總能從疲勞強(qiáng)度上找到原因，實(shí)際上，疲勞強(qiáng)度大得我們無法想象，螺栓在使用過程中根本用不到疲勞強(qiáng)度。
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螺栓斷裂不是由于螺栓的抗拉強(qiáng)度
以一只M20×80的8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓為例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力載荷是20噸，高達(dá)它自身重量的十萬倍，一般情況下，我們只會(huì)用它緊固20公斤的部件，也只使用它最大能力的千分之一。
展開 定義多個(gè)載荷步，其中前三個(gè)載荷步用于施加螺栓預(yù)緊力。定義方式是在Creat Load下面的Bolt Load（螺栓載荷），選擇梁單元后確認(rèn)方向（這里方向的影響不大）
載荷步1：施加10N的預(yù)緊力；
載荷步2：施加50KN的預(yù)緊力；
載荷步3：將預(yù)緊力的形式改為Fix at current length，如下圖所示。
后面的載荷步則可以正常施加其他載荷。
圖6
本次實(shí)例加完載荷計(jì)算后得到的應(yīng)力結(jié)果如下所示：
圖7
可以通過主菜單View-ODB Display Option下面的Render Beam Profile開關(guān)，顯示真實(shí)的螺栓形狀，打開之后如圖所示。
圖8
本次施加的是拉力載荷，因此螺栓主要承受的是拉力，其應(yīng)力水平最高。
下載地址：基于ABAQUS對(duì)螺栓斷裂問題仿真分析
展開 高強(qiáng)度螺栓的斷裂分析
雖然VDI2230-1在計(jì)算順序上排在VDI2230-2之后，但確是整個(gè)螺栓計(jì)算中的難上之難、重中之重，它不僅精確地分析了螺栓受力時(shí)的力學(xué)原理，而且把計(jì)算過程嚴(yán)格地進(jìn)行程序化。這是德國工程師深入研究一絲不茍以及嚴(yán)格遵守流程的絕佳體現(xiàn)。
三、VDI2230導(dǎo)則在實(shí)際工程的應(yīng)用解析
VDI 2230博大精深，后續(xù)會(huì)有一整套課程詳細(xì)講解。如下圖：本文由于篇幅所限，只是引出VDI2230這個(gè)導(dǎo)則在工程實(shí)際中的一個(gè)應(yīng)用。比如針對(duì)本文開頭提到的螺栓斷裂問題，顯然不是由于載荷過大，也不是螺栓選取不合理。技術(shù)人員提出的降低預(yù)緊力矩雖然在一定程度上增加了螺栓的承受工作載荷的余量，但是卻造成由于預(yù)緊力不足而導(dǎo)致本應(yīng)該被螺栓夾緊的軸承在車軸上發(fā)生滑動(dòng)從而使軸承報(bào)廢的后果。
而把螺栓從8.8級(jí)更換成10.9級(jí)后，雖然增加了螺栓的安全系數(shù)，螺栓沒有再發(fā)生斷裂，但是與螺栓旋合的車軸上的螺紋孔卻被剪斷，導(dǎo)致整個(gè)車軸報(bào)廢，后果更嚴(yán)重。
因此，詳細(xì)地、定量地對(duì)影響螺栓性能的所有因素進(jìn)行精確計(jì)算非常必要，這也是VDI 2230 的主要研究內(nèi)容和其精華所在。本人拿到上述任務(wù)之后，對(duì)螺栓的類型（內(nèi)六角還是 外六角）、螺栓的長度、螺栓的加工方法（滾絲后熱處理還是熱處理之后再滾絲）、車輛運(yùn)行時(shí)軸承溫度、軸端壓蓋的厚度、軸端壓蓋與螺栓接觸面的表面粗糙度、軸端壓蓋的材料、擰緊螺栓時(shí)所用的工具，安裝螺栓時(shí)螺紋牙表面涂的潤滑物、安裝時(shí)是否使用墊片等方面進(jìn)行了核查。
之后根據(jù)VDI 2230 進(jìn)行了計(jì)算。最后終于找到原因：安裝人員在預(yù)緊螺栓時(shí)擅自在螺栓頭底部增加墊片，最終導(dǎo)致了螺栓的斷裂。但是如果問題的分析，僅限于此，那還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不具備說服力。設(shè)計(jì)研發(fā)就應(yīng)該進(jìn)行定量分析、給出定量的結(jié)論，沒有精確的數(shù)值結(jié)論沒有任何意義，也沒有充分發(fā)揮VDI 2230的優(yōu)勢(shì)。
展開 
螺栓斷裂的最新內(nèi)容
T型螺栓的選用需與T型槽尺寸匹配，螺栓強(qiáng)度等級(jí)≥8.8級(jí)，鎖緊力矩控制在200-500N·m，根據(jù)工件重量逐步調(diào)整，避免力矩過大導(dǎo)致螺栓斷裂或工件變形。
如何給汽車零部件進(jìn)行疲勞耐久測(cè)試？11個(gè)月前
4.新能源汽車特有的零部件測(cè)試
電池包支架測(cè)試：測(cè)試項(xiàng)目：螺栓連接處疲勞斷裂、支架變形導(dǎo)致的電池?cái)D壓。
測(cè)試方法：三軸向振動(dòng)（X/Y/Z 向加速度≥50g）+ 溫度循環(huán)（-30℃~50℃），模擬車輛顛簸與電池?zé)崦浝淇s的耦合作用，要求循環(huán) 10^5 次無裂紋。
電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承測(cè)試：測(cè)試項(xiàng)目：潤滑脂老化、滾道疲勞點(diǎn)蝕。
中國技術(shù)論壇分會(huì)場(chǎng)1：
汽車碰撞安全
趙星明 | 中國第一汽車集團(tuán)有限公司 仿真中心主管
演講主題：基于整車的新能源電池包底部碰撞工況仿真研究
鄺男男 | 中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司 安全開發(fā)部主管
演講主題：基于碰撞事故場(chǎng)景的新能源汽車多物理場(chǎng)耦合仿真研究
劉衡 | 廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 集成安全技術(shù)部主管工程師
演講主題：整車碰撞中的關(guān)鍵螺栓斷裂仿真預(yù)測(cè)精度提升
例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組服役環(huán)境復(fù)雜而惡劣，既承受動(dòng)載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)境，所用連接螺栓疲勞斷裂高達(dá)85%。高強(qiáng)度螺栓的主要失效模式是疲勞，大量的高強(qiáng)度螺栓疲勞失效分析結(jié)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(xì)小裂縫或切削加工刀痕不連續(xù)處和表面腐蝕物、淬火組織不均勻，因?yàn)槟莾簯?yīng)力集中度高。這些都與緊固件制造水平有關(guān)。
試驗(yàn)后，高強(qiáng)鋼板中心處出現(xiàn)凸起，四周向下翹曲，同時(shí)鋼板與安裝平臺(tái)的螺栓連接全部斷裂脫離，試驗(yàn)后鋼板塑性變形如圖4所示，使用3D掃描設(shè)備得到鋼板最大塑性變形量為221.8 mm(見圖5)。
A79：原因：螺栓擰的過緊或緊固不均、開口銷斷落、螺帽松動(dòng)或軸瓦太松、螺栓強(qiáng)度下降而斷裂、活塞卡住、安裝質(zhì)量差、余隙太小、造成活塞桿撞彎，誤操作。
處理：發(fā)生連桿、活塞環(huán)拉斷事故時(shí)，應(yīng)緊急停車檢修，對(duì)主要部件應(yīng)有計(jì)劃定時(shí)進(jìn)行檢修或更換。
Q80：壓縮機(jī)最易磨損的機(jī)件有哪些？
A80：活門閥片、彈簧、墊子、銅套、曲軸、軸瓦、活塞環(huán)、活塞、缸套、填料、支承環(huán)等。
下載地址：基于ABAQUS對(duì)螺栓斷裂問題仿真分析
最后終于找到原因：安裝人員在預(yù)緊螺栓時(shí)擅自在螺栓頭底部增加墊片，最終導(dǎo)致了螺栓的斷裂。但是如果問題的分析，僅限于此，那還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不具備說服力。設(shè)計(jì)研發(fā)就應(yīng)該進(jìn)行定量分析、給出定量的結(jié)論，沒有精確的數(shù)值結(jié)論沒有任何意義，也沒有充分發(fā)揮VDI 2230的優(yōu)勢(shì)。
本人在詳細(xì)計(jì)算后，得出的結(jié)論是，車間安裝人員為了在螺栓頭底部加了墊片導(dǎo)致螺栓斷裂。
國營一二四廠也發(fā)現(xiàn)某機(jī)導(dǎo)彈掛架由于振動(dòng)而發(fā)生螺栓的疲勞斷裂。另外，直升機(jī)的振動(dòng)疲勞也是急待解決的問題。
二、美國軍用規(guī)范關(guān)于動(dòng)態(tài)疲勞的規(guī)定
美國海軍飛機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度方面的要求，反映在如下的四個(gè)規(guī)范中：MIL-A-8866B(AS)、MIL-A-8868C(AS)、MIL-A-8868B(AS)、MIL-A-8870。
重要產(chǎn)品、關(guān)鍵受力部件應(yīng)采用計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，包括：
- 采用虛擬樣機(jī)手段對(duì)運(yùn)動(dòng)型式復(fù)雜的游樂設(shè)施進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析；
- 設(shè)備整體剛度、穩(wěn)定性、防傾覆和側(cè)滑計(jì)算；
- 設(shè)備整機(jī)和主要受力部件的疲勞壽命計(jì)算；
- 受力結(jié)構(gòu)及其重要零件的強(qiáng)度、局部應(yīng)力集中情況分析；
- 傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)的受力與選型計(jì)算；
- 重要焊縫的強(qiáng)度與疲勞計(jì)算、布置合理；
- 高強(qiáng)度螺栓、地腳螺栓的強(qiáng)度
