螺栓斷裂分析的案例
高強(qiáng)度螺栓的斷裂分析
高強(qiáng)度螺栓的斷裂分析
Abaqus利用梁?jiǎn)卧M螺栓連接 附基于ABAQUS對(duì)螺栓斷裂問(wèn)題仿真分析下載
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?jiǎn)卧蟠_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(guò)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(wèn)題仿真分析
展開 高強(qiáng)螺栓斷裂成因分析
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(wú)心車削→鋸料→平端面倒角→磷化潤(rùn)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(guò)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(guò)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)斷裂分析
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(zhǎng)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(guó)自緊王螺母，但我們今天不講這些緊固件界的明星，我們來(lái)聊聊工作中最基本的固定螺母的方法。
01
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(lái)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(wú)法想象，螺栓在使用過(guò)程中根本用不到疲勞強(qiáng)度。
0
1
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(wàn)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 
高強(qiáng)度螺栓疲勞壽命分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)
借助有限元分析工具, 對(duì)某燃汽輪機(jī)風(fēng)扇座環(huán)連接螺栓應(yīng)力及接觸狀態(tài)進(jìn)行了分析研究, 并計(jì)算出了螺栓的應(yīng)力幅值。
將 ASME 標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)變方法的疲勞曲線進(jìn)行了對(duì)比分析研究, 確定選用 ASME 標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞曲線進(jìn)行螺栓疲勞壽命分析, 并與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 給出了一套有效的螺栓疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。并在此基礎(chǔ)上給出提高螺栓使用壽命的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法。
螺栓連接作為一種重要的結(jié)構(gòu)連接方式, 已廣泛應(yīng)用于各類工程領(lǐng)域中。然而, 在高預(yù)緊力載荷以及交變載荷作用下, 高強(qiáng)度螺栓發(fā)生疲勞斷裂的事故時(shí)有發(fā)生。針對(duì)高強(qiáng)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(chǔ)上, 本研究以某型號(hào)燃汽輪機(jī)風(fēng)扇座環(huán)連接螺栓為研究對(duì)象, 借助有限元分析方法, 對(duì)該螺栓的應(yīng)力幅值及各連接部件的接觸應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析和對(duì)比研究, 并基于疲勞分析方法對(duì)初始以及改進(jìn)的螺栓壽命進(jìn)行了預(yù)估分析, 從而確定螺栓疲勞的分析方法以及優(yōu)化改進(jìn)的方案。
研究對(duì)象概況
作為研究對(duì)象的某燃汽輪機(jī)風(fēng)扇座環(huán)連接螺栓結(jié)構(gòu)布置如圖1所示, 機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速為 3000 r/min, 在啟停機(jī)次數(shù)大約 800次之后, 風(fēng)扇座環(huán)連接螺栓發(fā)生斷裂。斷口分析認(rèn)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(lái)看：區(qū)域A為裂紋萌生區(qū)域, 該區(qū)域?yàn)槁菁y的根部區(qū)域, 參考 ASME 標(biāo)準(zhǔn), 該部位的應(yīng)力集中系數(shù)不小于3.9, 屬于應(yīng)力敏感區(qū)域, 也是螺栓斷裂的常見多發(fā)位置;區(qū)域 B 為裂紋擴(kuò)展區(qū)域;區(qū)域 C 為斷裂失效區(qū)。
展開 【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準(zhǔn)則---{ 問(wèn)題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點(diǎn)的損傷初始化準(zhǔn)則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續(xù)承載，直到達(dá)到d點(diǎn)，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準(zhǔn)則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準(zhǔn)則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準(zhǔn)則，包括韌性準(zhǔn)則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準(zhǔn)則（shear damage）。也就是圖2中紅框內(nèi)的三個(gè)準(zhǔn)則，它們都屬于金屬承載后產(chǎn)生裂紋的準(zhǔn)則。
金屬板的徑縮不穩(wěn)定損傷初始化準(zhǔn)則，包括幾種成形極限圖，用于評(píng)估鈑金件的可成形性。也就是紅框外的幾個(gè)準(zhǔn)則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進(jìn)損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構(gòu)模型導(dǎo)圖，完整版鏈接】
····································常見問(wèn)題解答····································
······Q1: 韌性準(zhǔn)則和剪切準(zhǔn)則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機(jī)理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機(jī)理時(shí)用到不同的損傷起始準(zhǔn)則（hooputra2004）：
機(jī)理1，由于內(nèi)部（微裂紋）的成核、生長(zhǎng)和孔隙的聚集產(chǎn)生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準(zhǔn)則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機(jī)理1韌性斷裂
機(jī)理2，由于剪力帶局部化產(chǎn)生的剪切斷裂，這時(shí)shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 WB13.0螺栓疲勞校核（接觸分析，螺栓預(yù)緊力，疲勞分析模）
高強(qiáng)螺栓結(jié)構(gòu)應(yīng)力與疲勞校核分析報(bào)告.zip
高強(qiáng)螺栓的疲勞分析校核。應(yīng)用WB自帶的疲勞分析模塊，對(duì)螺栓進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞校核。
特點(diǎn)：疲勞分析模塊的應(yīng)用；螺栓預(yù)緊力；對(duì)稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業(yè)隱私，和單位法規(guī)的規(guī)定，隱去報(bào)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(jìn)步。
疲勞斷裂分析 附疲勞與斷裂華中科技大學(xué)下載
圖4
3、化學(xué)成分
在連桿身部位取樣，進(jìn)行化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)分析，結(jié)果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化學(xué)成分要求 。
4、結(jié)果分析
綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果，失效件材料化學(xué)成份符合技術(shù)條件要求。
連桿斷裂端一側(cè)面出現(xiàn)非正常嚴(yán)重磨擦現(xiàn)象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現(xiàn)的藍(lán)灰色的氧化膜，是黑色氧化鐵(Fe3O4)及紅色氧化鐵(Fe2O3)的混合體，其形成溫度在400℃以上。表明該連桿與一輸出軸之間的磨擦導(dǎo)致該區(qū)域溫度過(guò)熱。
斷口掃描電鏡分析表明斷口疲勞裂紋源在氧化膜附近的拐角處，正處于高溫區(qū)域。表面氧化會(huì)使裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)增加，同時(shí)高溫提高了蠕變損傷的可能性。另一方面磨擦導(dǎo)致金屬表面粗糙，容易形成表面應(yīng)力集中，增大疲勞源產(chǎn)生的可能性。
斷裂起源往往發(fā)生在拉應(yīng)力最大的層面上。從連桿運(yùn)動(dòng)受力情況分析，斷口1的斷面所受的拉應(yīng)力最大，容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時(shí)由于該區(qū)域存在較粗大的狀碳化物，破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展，降低了疲勞強(qiáng)度，最終導(dǎo)致了疲勞斷裂。
連桿滲碳表面的碳化物過(guò)大與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過(guò)高造成的，特別容易在工件尖角處形成，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。
展開 Abaqus帶螺紋螺栓接觸應(yīng)力分析淺析 Abaqus帶螺紋螺栓接觸應(yīng)力分析淺析
在實(shí)際情況下，很多結(jié)構(gòu)都采用螺栓連接的方式，如何考慮螺栓連接、對(duì)連接螺栓的分析計(jì)算是個(gè)難點(diǎn)。目前的常規(guī)做法通常有兩種：1.簡(jiǎn)化，用RBE2和beam梁來(lái)代替螺栓，這樣不能反映連接螺栓真實(shí)應(yīng)力，圖1為某結(jié)構(gòu)連接螺栓簡(jiǎn)化的beam梁應(yīng)力云圖，沒(méi)有接觸應(yīng)力：
.直接做出來(lái)螺栓螺紋采用接觸分析，雖然得出的結(jié)果很精確，但這樣前處理工作量大（螺栓和螺紋用六面體網(wǎng)格建模）、計(jì)算量大（接觸收斂困難），如圖為某結(jié)構(gòu)帶螺紋螺栓和連接件模型（圖2）和計(jì)算得出的結(jié)果（圖3）：
圖3 計(jì)算結(jié)果
那么，有什么好辦法可以不用簡(jiǎn)化帶螺紋螺栓，不用直接做出帶螺紋螺栓，又能得到足夠精確的結(jié)果？
運(yùn)用大型通用非線性有限元分析軟件Abaqus，只需要在接觸定義中設(shè)置跟實(shí)際螺紋形狀有關(guān)聯(lián)的參數(shù)，如牙角、螺距、螺栓小徑等，就可以模擬真實(shí)的連接螺栓接觸狀況。既可以得到足夠精確的分析結(jié)果，又節(jié)省了時(shí)間專注進(jìn)行其他的分析設(shè)置。如圖4，為連接螺栓接觸來(lái)定義帶螺紋螺栓：
圖4 連接螺栓接觸來(lái)定義帶螺紋螺栓
圖5為某結(jié)構(gòu)直徑10MM的帶螺紋的連接螺栓接觸壓力分布云圖：
圖5 某結(jié)構(gòu)直徑10mm帶螺紋的連接螺栓接觸壓力分部云圖
展開 一文帶你分析疲勞斷裂！ 附疲勞與斷裂華中科技大學(xué)文檔下載
4.結(jié)果分析
綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果，失效件材料化學(xué)成份符合技術(shù)條件要求。
連桿斷裂端一側(cè)面出現(xiàn)非正常嚴(yán)重磨擦現(xiàn)象，軸承弧面靠近磨擦面一端出現(xiàn)的藍(lán)灰色的氧化膜，是黑色氧化鐵(Fe
3O
4)及紅色氧化鐵(Fe
2O
3)的混合體，其形成溫度在400℃以上。表明該連桿與一輸出軸之間的磨擦導(dǎo)致該區(qū)域溫度過(guò)熱。
斷口掃描電鏡分析表明斷口疲勞裂紋源在氧化膜附近的拐角處，正處于高溫區(qū)域。表面氧化會(huì)使裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)增加，同時(shí)高溫提高了蠕變損傷的可能性。
另一方面磨擦導(dǎo)致金屬表面粗糙，容易形成表面應(yīng)力集中，增大疲勞源產(chǎn)生的可能性。
斷裂起源往往發(fā)生在拉應(yīng)力最大的層面上。從連桿運(yùn)動(dòng)受力情況分析，斷口1的斷面所受的拉應(yīng)力最大，容易在此斷面靠近磨擦面的拐角處形成裂紋源。同時(shí)由于該區(qū)域存在較粗大的狀碳化物，破壞了基體組織的連續(xù)性，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展，降低了疲勞強(qiáng)度，最終導(dǎo)致了疲勞斷裂。
連桿滲碳表面的碳化物過(guò)大與滲碳工藝不當(dāng)有關(guān)。粗大的塊狀碳化物主要是由于碳濃度過(guò)高造成的，特別容易在工件尖角處形成，導(dǎo)致零件壽命顯著下降。
因此在滲碳過(guò)程中應(yīng)注意嚴(yán)格控制滲碳?xì)夥盏奶紕?shì)，以免過(guò)高的碳勢(shì)引起工件表面形成粗大的碳化物。
5.結(jié)論
曲軸連桿斷裂屬疲勞斷裂，引起斷裂的原因是在使用時(shí)連桿受到劇烈磨擦，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中及溫度過(guò)高，降低了材料的疲勞強(qiáng)度。連桿拐角處表面的較大塊狀碳化物加速了裂紋的萌發(fā)及擴(kuò)展。
展開 螺栓預(yù)緊力&Workbench螺栓預(yù)緊力分析 ￥10
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/201909/fc4ae62e16374e479bc7b8f3cf81d0f3.png">
</div><p>7 <strong>workbench螺栓預(yù)緊力分析：</strong></p><div contenteditable="false" width="100%">
分析實(shí)例及過(guò)程如下
</div><p><br></p>
展開 
絲錐斷裂9大原因全面分析！
由上可見，造成絲錐斷裂的原因可謂多種多樣，機(jī)床、夾具、工件、工藝、夾頭及刀具等等都有可能，僅憑紙上談兵也許永遠(yuǎn)都找不到真正原因。
非標(biāo)螺栓分析緊固件如何進(jìn)行公差分析
非標(biāo)螺栓分析緊固件如何進(jìn)行公差分析？非標(biāo)螺栓是根據(jù)需要或用戶要求所定的螺距尺寸，那么非標(biāo)螺栓分析緊固件如何進(jìn)行公差分析呢？棣拓軟件小編為你解答。
據(jù)非標(biāo)螺栓有關(guān)技術(shù)人員分析，制造零件時(shí)，為了使零件具有互換性，要求零件的尺寸在一個(gè)合理范圍之內(nèi)，由此就規(guī)定了極限尺寸。制成后的實(shí)際尺寸，應(yīng)在規(guī)定的最大極限尺寸和最小極限尺寸范圍內(nèi)。允許尺寸的變動(dòng)量稱為尺寸公差分析，簡(jiǎn)稱公差分析。
標(biāo)準(zhǔn)公差分析：標(biāo)準(zhǔn)公差分析IT的數(shù)值由基本是標(biāo)準(zhǔn)所列的用以確認(rèn)公差分析帶大小的任一公差分析。標(biāo)準(zhǔn)公差分析分為20個(gè)等級(jí)，即：IT01、IT02、IT1至IT18。IT表示標(biāo)準(zhǔn)公差分析，數(shù)字表示公差分析等級(jí)。IT01公差分析數(shù)值最小，精度最高；IT18公差分析數(shù)值最大，精度最低。
基本尺寸：設(shè)計(jì)給定的尺寸。
極限尺寸：允許尺寸變動(dòng)的兩個(gè)極限值，它是以基本尺寸為基數(shù)來(lái)確定的。
偏差：某一實(shí)際尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差。
極限偏差：即指上偏差和下偏差。最大極限尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差就是上偏差；最小極限尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差就是下偏差。
尺寸公差分析：允許尺寸的變動(dòng)量。即最大極限尺寸與最小極限尺寸之差；也等于上偏差和下偏差代數(shù)差的絕對(duì)值。
非標(biāo)螺栓分析緊固件如何進(jìn)行公差分析？棣拓軟件秉承先進(jìn)的服務(wù)理念和深厚的技術(shù)背景，DTAS不斷發(fā)展壯大，公司具備國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的公差分析技術(shù)支持和咨詢服務(wù)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，以及專業(yè)化水準(zhǔn)的技術(shù)力量獲得了眾多客戶的一致認(rèn)可。公司客戶目前遍布汽車、新能源電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、軍工、家電、電機(jī)、航空航天等眾多行業(yè)和知名高校、研究所。
展開 ANSYS斷裂分析實(shí)例
/POST1
*GET,K,CINT,1,CTIP,1,,5,,K1
*STATUS,K
兩個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算結(jié)果基本一致，將斷裂韌性除以K，就可以得出安全系數(shù)，判斷裂紋是否擴(kuò)展。
例三：（交互積分法求應(yīng)力強(qiáng)度因子）
（整理自ANSYS的HELP）
例子位置索引:
有限元模型：
FINISH$/CLEAR
!
abaqus斷裂分析例題
希望大家有用
