基于ABAQUS的螺栓联接预紧力与疲劳寿命计算

　　0 引言

　　螺栓联接在航空发动机乃至一般机械装置中广泛使用，作为工程上的常用承载方式，螺栓联接在使用过程中，难免会发生疲劳、失效甚至断裂现象。目前对于螺栓联接件的寿命估算多参考一般机械零件疲劳寿命分析方法。当螺栓联接件在承受交变重载时，其疲劳问题显得尤为突出，将直接决定整个机械设备可靠性。因此科学地估算螺栓联接件的疲劳寿命，探讨联接紧度对螺纹疲劳寿命的影响规律，对确保机械设备安全运行，有着十分重要的意义。本文采用M36螺栓联接件模型，使用渗透接触法模拟螺栓联接件施加预紧力，得到在同一拉伸载荷谱不同预紧力下螺栓联接件的螺纹根部应力谱，进而估算不同预紧力下相应的螺纹疲劳寿命，并对预紧力和疲劳寿命结果加以分析。

　　1 螺栓连接组件有限元模型

　　1.1 几何模型建立

　　螺栓联接组件本身不是严格的几何轴对称体，为了简化有限元建模分析工作量，将螺栓联接组件简化为轴对称模型，端部轴向外载荷按照均匀假定，有限元计算采取轴对称单元。联接组件模型分为两种，一种是带锁紧螺母的，如图1所示，其中锁紧螺母作用是给下方夹头螺母提供一定的预紧力；另一种是不带锁紧螺母模型，即不施加预紧，如图2所示。考虑到在疲劳实验过程中，预紧力施加时温度和交变载荷作用时温度分别是25°C和600°C，为使本分析结果更接近真实值，故必须考虑温度对材料参数的影响。用GH4169材料近似螺栓联接组件材料，查阅材料手册得到GH4169材料参数如表1所示：

　　表1 GH4169材料参数

　　1.2 预紧力加载方法

　　预紧力大小的确定一般按照经验给出，参考机械设计教程中相关章节，残余预紧力匕和外载荷F之间关系为：

　　当工作载荷不稳定时，F1=（6?1)F;当地脚螺栓连接时，Fi>F。

　　数值模拟螺栓预紧力加载一般有温度法和渗透接触等方法，本文模型的材料参数和温度有关，故选取渗透接触法来模拟螺栓预紧力。先按照螺栓拉伸试验峰值疲劳载荷，假设螺栓联接组件处于线弹状态，估算一个初始渗透量△1，以此设置模型渗透量并进行初次计算，模拟预紧力施加状态。待计算完成后，通过ABAQUS提取该渗透量下锁紧螺母和夹头螺母接触面的合力，即预紧力。不断调整渗透量，继续按照此方法进行预紧力计算，从而得到不同预紧力状态下螺栓联接组件应力分布。

　　1.3 边界条件设定

　　对于带锁紧螺母模型，施加交变拉载是在预紧力一直存在的基础上进行的，所以锁紧螺母螺纹以及夹头螺母螺纹都和螺杆上螺纹紧密贴合，并且锁紧螺母下表面和夹头螺母上表面也会因为预紧力一直存在而贴合。故模型中要在这些贴合面设置接触对，摩擦系数取0.2。最终的约束及加载如图3所示。