螺栓失效的热力耦合疲劳仿真分析

1、螺栓失效风险分析的必要性

螺栓被称为“工业之米”，是应用最广泛的基础零件之一。紧固件是传递载荷的重要连接节点，其可靠性与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关。随着制造业水平的提高和对产品可靠性的愈发重视，对紧固件失效的关注度也越来越高。失效分析是提高产品可靠性的重要途径，有助于改进设计、预防事故发生，主要分析内容为：

(1) 紧固件失效、松动仿真模型；

(2) 预测失效原因、失效模式及位置；

3)与实验对比，得出仿真精度。

2、螺栓失效模式与主要原因

2.1、 拉伸（伸长变形）、断裂

• 超拧

• 材料缺陷

2.2、 咬死

• 螺纹间隙减少至零

• 螺纹压力面粘着

2.3、 滑牙（脱扣）

• 螺纹脱碳

• 螺母高度不足

2.4、 热疲劳

• 螺纹拧紧速度过快（摩擦热）

• 高温

研究内容

1、 单螺栓数值仿真模型

△图1：单螺栓数值模拟技术路线

2、 螺栓失效模式及准则

2.1 单螺栓数值模拟

2.2 温度载荷

△图2：螺栓头部及接触面接触状态变化

2.3 评价标准

① RF (N)：剩余轴向力/预紧力比值（首先考虑指标）

② RT (N)：拧松力矩/预紧力矩，RF (N)下降但RT (N)不一定下降（咬合现象）

△图3：螺栓松动实验

△图4：典型的螺纹联接松动曲线

3、 整机模型数值仿真分析

△图5：整机数值模拟技术路线

4、 失效模式、风险及位置

整机数值模拟计算最大位移、垫片应力、接触面应力、螺栓应力

△图6：整机数值模拟计算结果

5、实验对比分析

采用电液伺服疲劳试验机、光学显微镜、压力传感器、力矩扳手等实验设备和仪器进行螺栓侧向位移载荷螺栓松动实验，并对实验对象进行3D形貌分析、剩余轴向力分析、拧松力矩分析。

△图7：实验对比分析结果

经典案例

一、基于热-力耦合分析的LNG低温软管内波纹管的疲劳性能研究

△图8：软管内波纹管的疲劳仿真

1、 波纹管热-力耦合分析（输送压力载荷）

Goodman 公式转换应力曲线的应力幅值：

2、 波纹管在常温-低温交变载荷作用下的疲劳性能

利用Basquin公式描述材料的S-N曲线，求在某一应力水平下的疲劳寿命：

3、聚焦波纹管的应力热点区域，开展结构优化

基于Miner线性损伤累计理论，描述LNG低温软管内波纹管在压力、常温-低温循环载荷符合作用下的损伤量：

二、循环载荷下柔性管线接头铠装钢丝粘结损伤分析

△图9：铠装钢丝与树脂粘结有限元模型

1、 疲劳载荷下树脂温度的变化

△图10：树脂试样表面温度变化

2、 疲劳载荷下树脂弹性模量的变化

△图11：树脂弹性模量随温度变化关系

3、 树脂在循环载荷下的损伤累积

△图12：环氧树脂表面温度-循环次数曲线

4、 循环次数-温度变化-动态弹性模量-损伤累积之间的关系

△图13：界面损伤与循环次数关系