高强度连杆螺栓的疲劳寿命分析
A319 A320飞机主轮毂联接螺栓疲劳断裂力学分析
A319 A320飞机主轮毂联接螺栓疲劳断裂力学分析一、引言飞机是由数千个零部件组成的复杂系统，其中每个零部件都承担着重要的任务，保证了飞机的安全和性能。
而飞机轮毂联接螺栓作为飞机的重要组成部分之一，承载着飞机着陆时巨大的冲击力，因此其安全性能至关重要。
本文将针对A319 A320飞机主轮毂联接螺栓进行疲劳断裂力学分析，探讨其疲劳寿命及疲劳断裂的关键影响因素。
飞机主轮毂联接螺栓是将轮毂与飞机机身连接的重要零部件，其结构特点对飞机的安全性能有着重要影响。
A319 A320飞机主轮毂联接螺栓通常采用高强度合金材料制造，其结构复杂，具有一定的强度和抗疲劳能力。
由于其需要承受飞机着陆时的冲击力，其设计和使用环境特点都必须满足飞机航空标准的要求。
针对飞机主轮毂联接螺栓疲劳断裂问题，国内外的研究人员已经进行了大量的工作，为飞机设计和使用提供了重要的参考和支持。
目前，对于A319 A320飞机主轮毂联接螺栓的疲劳断裂问题，主要集中在以下几个方面的研究：1. 螺栓材料的选择与性能分析。
研究人员通过对不同材料的螺栓进行实验研究，分析其力学性能，为选择合适的螺栓材料提供了重要依据。
2. 螺栓的结构设计与优化。
针对螺栓在飞机着陆时所承受的冲击力，研究人员对螺栓的结构进行了优化设计，使其在保证强度的尽可能减轻重量。
3. 疲劳寿命预测模型的建立与验证。
通过对不同条件下螺栓的疲劳寿命进行实验研究，研究人员建立了相应的预测模型，并对其进行了验证，为螺栓的寿命管理提供了重要的支持。
飞机主轮毂联接螺栓在飞行中承受了复杂的载荷，因此其疲劳断裂问题受到了研究人员的广泛关注。
在飞机的使用过程中，螺栓会受到两种主要载荷作用：静载荷和冲击载荷。
在飞机着陆时，主轮毂联接螺栓将承受巨大的冲击载荷，这对螺栓的疲劳寿命和断裂力学性能提出了很高的要求。
研究主轮毂联接螺栓的疲劳断裂力学性能对飞机的安全性能具有重要意义。
1. 主轮毂联接螺栓的疲劳寿命预测在飞机的使用过程中，主轮毂联接螺栓会受到多次循环载荷的作用，这将导致其疲劳损伤，最终导致断裂。
机械连接件的疲劳断裂分析与寿命预测
机械连接件的疲劳断裂分析与寿命预测机械连接件作为机械装配中的重要组成部分，承担着连接与传递载荷的重要功能。
然而，随着工作时间的延长和复杂载荷条件的作用，连接件经常会遭受疲劳断裂的威胁。
因此，对于机械连接件的疲劳断裂分析与寿命预测具有重要的工程意义。
一、疲劳断裂分析疲劳断裂是指在交变载荷作用下，材料或零件由于反复循环的应力或应变引起的断裂现象。
对于机械连接件来说，疲劳断裂往往发生在应力集中的位置，如螺纹孔及焊缝等。
针对疲劳断裂问题，可以通过有限元分析等方法进行研究。
有限元分析能够模拟实际工作条件下的应力分布情况，从而较为准确地预测连接件的疲劳寿命。
二、疲劳寿命预测根据疲劳破坏的特点和机械连接件的工作环境，可以采用多种方法进行疲劳寿命预测。
其中，应力振幅法是一种常用的方法。
该方法基于线性弹性断裂力学理论，通过对应力振幅和寿命之间的关系进行分析，可以预测连接件的疲劳寿命。
此外，还可以采用马修斯公式、伺服弹簧试验等方法进行疲劳寿命预测。
三、影响因素分析疲劳断裂与多个因素密切相关，如应力水平、载荷频率、材料性能等。
应力水平是疲劳断裂的主要影响因素之一，过高的应力水平会加速连接件的疲劳破坏。
载荷频率也会对连接件的疲劳寿命产生影响，较高的载荷频率会减少连接件的疲劳寿命。
此外，材料性能也是影响疲劳寿命的重要因素，高强度材料具有更好的抗疲劳性能。
四、改进措施为了提高机械连接件的疲劳寿命，可以采取一些改进措施。
首先，应合理选择材料，选择具有较高强度和较好耐疲劳性能的材料。
其次，对于应力集中的位置，可以进行一定的强化处理，如进行表面处理或采用滚动连接等方式。
此外，合理设计连接件的几何形状和尺寸也可以减轻应力集中现象，从而延长连接件的使用寿命。
五、结论机械连接件的疲劳断裂分析与寿命预测对于确保机械装配的安全可靠具有重要意义。
通过研究各种影响因素，加强对连接件内部应力分析的理解，可以准确预测连接件的疲劳寿命。
在实际工程中，应根据实际条件进行疲劳寿命预测，并采取相应的改进措施，以提高机械连接件的使用寿命和可靠性。
螺栓疲劳标准
螺栓疲劳标准主要分为以下几个方面：
1. 疲劳强度评估指标：评估螺栓在外部交变工作载荷作用下是否存在疲劳断裂的风险。
评估指标包括螺
栓的疲劳强度安全系数，即SD值，它表示螺栓的疲劳强度与交变应力幅的比值。
2. 交变应力幅：对于螺栓在疲劳工作载荷下的应力幅，它表示为σab。
交变应力幅是螺栓在疲劳分析工
况中需要考虑的重要因素。
3. 载荷条件：在做疲劳试验时，对螺栓施加的最大和最小载荷值的规定。
目前ISO和我国规范对高强度
螺栓，都把最大载荷值规定为螺栓最小抗拉破坏载荷的46%——K值(载荷系数)。
4. 寿命指标：在上述的载荷规定下，还有统一的寿命指标。
即在规范规定的抽样样品中，最小循环次数
不小于4.5×104，凡样品中超过13×104的只按13×104计平均值。
耐延迟断裂高强度螺栓钢的疲劳损伤机理研究
耐延迟断裂高强度螺栓钢的疲劳损伤机理研究研究背景：在现代工程领域中，耐延迟断裂高强度螺栓钢的应用日益广泛。
这些螺栓通常用于连接结构元件，承受着来自不同方向的力和压力。
然而，长期使用和周期性载荷作用会导致螺栓产生疲劳损伤，可能导致事故和结构失效。
因此，深入了解耐延迟断裂高强度螺栓钢的疲劳损伤机理对于确保结构稳定性和安全性至关重要。
疲劳损伤机理研究的意义：1. 结构安全性保障：了解耐延迟断裂高强度螺栓钢的疲劳损伤机理，可以为结构设计和使用提供科学依据，确保结构强度和稳定性，有效防止事故和故障发生。
2. 维修和保养指导：通过研究疲劳损伤机理，可以为螺栓的维修和保养提供指导，延长螺栓的使用寿命，降低维修成本。
3. 材料改进与优化：通过深入研究疲劳损伤机理，可以促进螺栓钢材料的改进与优化，提高材料的抗疲劳性能和使用寿命。
耐延迟断裂高强度螺栓钢的疲劳损伤机理研究：1. 疲劳裂纹的起源和扩展机制：疲劳裂纹是导致螺栓疲劳断裂的主要原因之一。
通过研究疲劳裂纹的起源和扩展机制，可以揭示螺栓疲劳断裂的本质，为螺栓的设计和使用提供依据。
2. 载荷和应力对疲劳损伤的影响：载荷和应力是导致螺栓疲劳损伤的重要因素。
研究不同载荷和应力作用下螺栓的疲劳损伤机理，可以为结构设计和使用提供科学参考。
3. 表面处理和涂层对疲劳寿命的影响：表面处理和涂层技术是提高螺栓抗疲劳性能的有效手段。
研究表面处理和涂层对于疲劳寿命的影响可以指导螺栓的涂层选用和应用。
4. 材料微结构与疲劳损伤关系研究：螺栓的材料微结构对其疲劳性能具有重要影响。
通过研究材料的晶粒结构、相组成和晶界性质与疲劳损伤的关系，可以为优化螺栓材料提供指导。
5. 剩余应力对疲劳寿命的影响研究：剩余应力是在螺栓制造和使用过程中产生的。
研究剩余应力对螺栓疲劳寿命的影响可以提供有效控制螺栓疲劳损伤的方法。
在研究过程中，可以通过一系列实验和数值模拟技术来探索耐延迟断裂高强度螺栓钢的疲劳损伤机理。
螺栓疲劳标准
螺栓疲劳标准螺栓疲劳标准是指规定了螺栓在使用过程中所需满足的疲劳性能要求的一系列标准。
螺栓作为一种常用的连接元件，广泛应用于各种机械设备、结构工程、汽车制造等行业中，其可靠性和安全性对于保证设备运行和人身安全至关重要。
因此，制定螺栓疲劳标准对于保障产品质量和用户利益具有重要意义。
螺栓疲劳标准包括以下几个方面：1.载荷标准：螺栓在使用过程中承受的载荷是决定其疲劳寿命的重要因素之一。
根据不同的应用场景和使用要求，制定了一系列载荷标准，以确保螺栓在正常工作条件下的可靠性和安全性。
2.拧紧力标准：螺栓的疲劳寿命也与拧紧力有关。
拧紧力过小会导致螺栓松动，拧紧力过大则容易引起螺栓的破裂。
因此，制定了拧紧力标准，以指导用户在使用螺栓时选择合适的拧紧力，以确保螺栓的正常工作。
3.疲劳寿命要求：疲劳寿命是指螺栓在循环载荷作用下能够承受的次数。
根据螺栓的材料、规格和使用要求，制定了一系列疲劳寿命要求，以确保螺栓在其设计寿命内能够承受预期的循环载荷。
4.疲劳性能测试方法：为了验证螺栓是否满足疲劳寿命要求，需要进行相应的疲劳性能测试。
制定了一系列疲劳性能测试方法，包括疲劳试验样品制备、试验设备和试验方法等，以确保测试的准确性和可靠性。
5.疲劳强度计算方法：疲劳强度是指螺栓在循环载荷作用下承受的应力。
为了评估螺栓的疲劳强度，制定了相应的疲劳强度计算方法，包括应力分析、疲劳寿命预测等，以指导螺栓的设计和选择。
除了以上几个方面的标准外，还可能包括其他相关内容，例如螺栓的表面处理要求、螺栓的设计和制造要求等。
这些标准的主要目的是确保螺栓在使用过程中能够满足其预期的疲劳性能要求，以保证设备的可靠性和安全性。
在制定螺栓疲劳标准时，需要考虑各个方面的因素，包括材料的强度和韧性、载荷条件、工作环境和使用要求等。
同时，还需参考国内外相关标准和经验，以确保制定的标准符合行业的实际需求。
总之，螺栓疲劳标准的制定对于保障产品质量、提高设备的可靠性和安全性具有重要意义。
球磨机磨头和筒体法兰联接螺栓的疲劳强度计算
球磨机磨头和筒体法兰联接螺栓的疲劳强度计算球磨机是一种用于磨碎矿石的设备，其工作原理是通过磨头在筒体中旋转，并将矿石和磨球一起磨碎。
为了保证球磨机的正常运行，磨头和筒体之间需要通过法兰联接螺栓进行连接。
在正常工作条件下，球磨机磨头和筒体法兰联接螺栓会受到很大的载荷作用，容易导致螺栓疲劳破坏。
因此需要对磨头和筒体法兰联接螺栓的疲劳强度进行计算。
磨头和筒体法兰联接螺栓的疲劳强度计算涉及到很多参数，如载荷、材料性能、螺栓尺寸等。
下面将对这些参数进行详细介绍，并介绍计算疲劳强度的方法。
1.载荷：球磨机的工作载荷是指磨头和筒体之间的接触载荷。
这个载荷是由矿石和磨球的重力、磨头和筒体的惯性力以及磨球的相互撞击力等所引起的。
在计算疲劳强度时，需要考虑到这些载荷的大小和方向。
2.材料性能：磨头和筒体法兰联接螺栓一般采用高强度合金钢制作。
在计算疲劳强度时，需要知道材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、疲劳极限等参数。
3.螺栓尺寸：螺栓的尺寸也是影响疲劳强度的重要因素。
螺栓的直径、螺纹长度、椭圆颈直径等都会对螺栓的强度起到影响。
计算疲劳强度的方法一般采用极限应力法。
根据极限应力法，螺栓的疲劳强度可以通过应力幅值和循环次数来计算。
应力幅值是指螺栓在应力循环中的最大应力与最小应力之差，循环次数是指螺栓在应力循环中的循环次数。
为了计算疲劳强度，首先需要确定载荷的大小和方向，并将其转化为等效应力。
然后根据磨头和筒体法兰联接螺栓的尺寸和材料性能，计算螺栓的应力分布。
根据应力分布，可以计算出螺栓的应力幅值。
最后，根据螺栓的应力幅值和循环次数，可以计算出螺栓的疲劳强度。
除了极限应力法，还可以使用应力寿命法来计算疲劳强度。
应力寿命法是根据螺栓在应力循环中的应力与寿命之间的关系来计算疲劳强度的。
通过对一系列疲劳试验的数据进行统计分析，可以得到螺栓的应力寿命曲线。
根据螺栓的应力分布和循环次数，可以根据应力寿命曲线得到螺栓的寿命。
在进行疲劳强度计算时，需要注意一些假设和限制。
螺纹联接疲劳寿命的关键要素分析与应用
对 减重 、 劳 寿命 等 性 能均 有较 高 的要 求 ， 疲 不但 要求 对 选 材 、 构性 设 计进 行优 化 ， 结 而且 对 螺纹 联 接 的静态 和
动 态 性 能也 要 进 行 优化 ， 要将 螺 纹 联 接 的最 佳 性 能 故
发 挥 出来满 足设 计要 求 ， 须使 用新 颖 的设 计 、 必 最佳 的 生 产过 程 以及 完美 的装 配 。
如 图 １ 示 。螺 栓 螺 纹与 光 杆过 渡 区是 重要 的疲 所
建 立 在 整 个 联 接 件 金 属 流 线 没 有 破坏 的条 件 下 。 图 １ 螺纹牙受力分析
．
为改 善 螺 纹联 接件 的疲 劳 强度 ， 以从 联 接件 的 可
结 构性 设计 、 工艺 方法 和装 配 上采 取措 施 。
５ ％
０ ％ ５ ％
坏 发 生 在 螺 栓 头 与 螺 杆 过 渡 圆 角处 。必 须 说 明 的是 ， 述数 据 上
栓 、螺 钉 通 用规 范 》 的相关 规 定 ，在 一 定 的疲 劳试 验载 荷下 ，产 品的疲 劳 寿命 平均 不低 于 ６ ０ 次 ，单 ５００
个 不 低 于 ４ ０ 次 。连 续试 验 超 过 １ ００ ０次 的 ，按 ５０ ０ ３ ０ 照 １ ００ ０ ３ ０ 次计 算 。 ２２ 增 大过 渡 圆角或 切制 卸载 槽 减 少应 力 集 中 ．
的破 坏发 生 在 与螺母 联 接 的第 一 扣 ；０％ 的破 坏发 生 ２
在 螺 纹 与 光 杆 的转 变 处 ， 就 是 也 发生 在螺 纹 的 收尾 处 ；５％ 的破 １
图 ３ ＭＪ外 螺 纹 最 大 和 最 大 实 体 牙 型
依 据 Ｇ Ｂ３７ ～ ９ （ 螺 纹合 金 钢 及 不 锈 钢 螺 Ｊ ３ ６ ８ ＭＪ
螺栓疲劳强度计算分析
1绪论
本章主要介绍疲劳强度的基本概念及疲劳损伤的类型，影响疲劳强度的因素，以及作此设计的前景、目的和意义。
2-10
满足此条件即为安全。
螺栓连接的安全系数可参照下表1.1选择
装配情况
许用安全系数
公
称
直
径螺栓材料
[n]
[no]
M5-M16
M16-M30
紧连接
（不加预紧力）
碳素钢
10-6.5
6.5
2.5-5
合金钢
7-5
5
紧连接
（加预紧力）
碳素钢
1.2-1.5
1.5-2.5
合金钢
表1.1不同材料螺栓连接的安全系数
循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。
1.4前景展望
伴随着计算机技术的发展和各种分析软件的成熟，ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARK、ALGOR以及ADINA等为代表的一系列分析软件的不断完善，运动仿真技术的发展使其理论分析有了更加坚实可靠的手段和依据，使得其更加接近真实情况，各种仿真软件和分析系统的日趋完善使得对螺栓疲劳强度的分析计算更加科学，可信。
联解OM，AB两条直可得
图 2.1γ=常数时的极限应力
2-1则可求出点M′点Fra bibliotek标对于点M点的应力极限为
2-2
则根据最大应力求得的最大应力安全系数计算值及强度条件为
2-3
②按应力幅计算；
σmin=C
若man=C则有σmin = =C，故在图2中，过工作点M作与横坐标夹角为45°的直线MM′，则这条直线上任一点的应力最小值相同，即复合σmin= =C的加载条件。M′所代表的应力就是此情况下计算时应采用的疲劳极限应力。
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第２９卷第５期 南京林业大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．２９，Ｎｏ．５ ２００５年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｓｅｐｔ・，２００５
高强度连杆螺栓的疲劳寿命分析 田 杰 ，商高高 ，周建兵。，朱云明。 （１．南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 ２１００３７；２．江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０１３； ３．南京跃进汽车集团，江苏 南京 ２１１１００）
摘 要：针对ＳＯＦＩＭ发动机连杆螺栓出现的早期疲劳断裂现象，建立了连杆螺栓的有限元模型，利用有限元 方法进行了该连杆螺栓的疲劳寿命分析，并与疲劳试验进行了对比。结果表明，该连杆螺栓杆部与头部的过 渡圆弧处容易产生应力集中，造成其疲劳断裂。为此，提出了局部滚压的改进方法，经有限元分析，该改进措 施可有效提高连杆螺栓的疲劳寿命。 关键词：高强度连杆螺栓；疲劳寿命；有限元分析 中图分类号：ＴＨ１３３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—２００６（２００５）０５—００７７—０３
Ｆａｔｉｇｕｅ Ｌｉｆｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ Ｒｏｄ Ｂｏｌｔ ＴＩＡＮ Ｊｉｅ ～，ＳＨＡＮＧ Ｇａｏ—ｇａｏ。，ＺＨＯＵ Ｊｉａｎ—ｂｉｎ ，ＺＨＵ Ｙｕｎ—ｍｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ ００３７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉ０ｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｙｕｅｊｉｎ Ｍｏｔｏｒ Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅａｒｌｉｅｒ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ＳＯＦＩＭ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ ｉｓ ｃｏｎｃｅｎ— ｔｒｅｄ．Ａｆｔｅｒ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｒｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｒｅａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｄ ａｎｄ ｈｅａｄ ｗａｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ’Ｓ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｅａｎｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ；Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
连杆螺栓是发动机乃至整个汽车中最重要、强度要求最高的螺栓之一，而其工作环境恶劣，承受交 变载荷的作用，一直处于疲劳应力状态。由于其尺寸受到限制，若设计或加工处理不好，极易产生严重 的应力集中，导致出现疲劳裂纹乃至断裂。因此，除一般的机械性能要求，还对其抗疲劳性能有较高的 要求。事实上，在对ＳＯＦＩＭ连杆螺栓进行疲劳试验时，就出现了仅循环近１０。次就断裂的现象，而其疲 劳寿命要求的循环次数为５×１０。次。笔者针对该连杆螺栓出现的早期疲劳断裂问题，利用有限元分析 软件ＡＮＳＹＳ进行疲劳分析，并在此基础上，提出改进方法，以期能解决实际生产问题，切实有效地提高 连杆螺栓的疲劳强度。
疲劳强度试验方法 试验按ＥＱＹ一２６１—９７《汽车螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法》在ＰＬＧ一２００ Ｂ高频拉压疲劳试 验机上进行。试件为ＳＯＦＩＭ连杆螺栓实物。试验的平均载荷为１１．５５ ｋＮ；交变载荷是幅值为９．４５ ｋＮ， 频率为２００ Ｈｚ的正弦波。当试件达到破坏极限或试验循环次数达到要求的５×１０。次时停止试验。
收稿日期：２００４—０９—０１ 修回日期：２００５—０６—２０ 作者简介：田杰（１９７１一），女，讲师，江苏大学车辆工程专业博士生，主要从事汽车设计ＣＡＤ／ＣＡＥ的研究。
维普资讯 http://www.cqvip.com 南京林业大学学报（自然科学版） 第２９卷第５期 ２结果与分析 ２．１ 疲劳试验 １２．９级ＳＯＦＩＭ连杆螺栓的疲劳试验结果如表１所示。从表１可见，在２Ｏ个试件中，合格的仅 ２个，断裂的有１８个，断裂部位均发生在连杆螺栓杆部与头部的过渡圆弧处。 表１疲劳试验结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ 序号 疲劳寿命／次 断裂位置 合格情况 序号 疲劳寿命／次 断裂位置 合格情况 １ ０．９８×１０ 头下 不合格 ｌ１ ５．Ｏ０×１０ 未断裂 合格 ２ １．Ｏ４×１Ｏ 头下 不合格 １２ １．Ｏ４×１Ｏ 头下 不合格 ３ １．４Ｏ×１０ 头下 不合格 １３ １．４Ｏ×１Ｏ。 头下 不合格 ４ ５．Ｏ０×１０ 未断裂 合格 １４ １．１２×１０ 头下 不合格 ５ １．Ｏ９×１０ 头下 不合格 １５ ３．５０×１０。 头下 不合格 ６ １．１０×１０ 头下 不合格 １６ １．６Ｏ×１Ｏ 头下 不合格 ７ １．Ｏ３×１Ｏ 头下 不合格 １７ １．１Ｏ×１Ｏ 头下 不合格 ８ １．Ｏ２×１０ 头下 不合格 １８ １．Ｏ６×１０ 头下 不合格 ９ １．１０×１０ 头下 不合格 １９ １．Ｏ５×１Ｏ 头下 不合格 １Ｏ １．Ｏ６×１Ｏ 头下 不合格 ２０ ０．９５×１０ 头下 不合格
ＳＯＦＩＭ连杆螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后进行的。在螺纹处容易形成压应力，使螺纹得到 了强化，提高了螺纹处的疲劳寿命口］。但其颈部形状复杂，由三段圆弧组成，如图１所示，三段圆弧的半 径各不相同，圆弧的过渡连接处理在实际生产中较难完全达到图纸的要求，有可能导致在连杆螺栓杆部 与头部的过渡圆弧处出现应力集中，疲劳寿命下降。 ２．２疲劳寿命 ２．２．１ 有限元模型的建立 由于连杆螺栓的疲劳寿命分析需要已知各点的应力分布数据 ］，利用ＡＮＳＹＳ软件对连杆螺栓承 受最大载荷、平均载荷和最小载荷时各点的应力分布情况分别进行分析。 考虑到高强度螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后完成的，使得螺纹处得以强化，且疲劳试验的结 果也表明早期疲劳断裂的确发生在杆部与头部的过渡圆弧处，故可完全忽略螺纹的影响ｎ］。为了更好 地模拟螺栓的实际工作情况，在螺栓上装配了螺母，并忽略螺纹的影响，将螺栓和螺母视为一个整体来 建立几何模型，有限元分析模型如图２所示。
图１ 连杆螺栓的颈部形状 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｎｅｃｋ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ ２．２．２载荷和约束 图２连杆螺栓有限元模型 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｂｏｌｔ
在螺栓与螺母的紧合面上，允许有平行于紧合面方向的位移。但由于在此次分析中是把螺栓与螺 母作为一个整体来考虑的，因此约束施加在靠近颈部的螺栓头部端面上。假设连杆螺栓所承受的载荷 沿螺母上表面均匀分布，视为分布在螺母上表面的面载荷，方向为轴向。分析时，对该连杆螺栓施加了
维普资讯 http://www.cqvip.com ２００５年 总第１１ ９期 田 杰等：高强度连杆螺栓的疲劳寿命分析 ３种载荷，最大载荷１６７ ＭＰａ，平均载荷９２ ＭＰａ和最 小载荷１６．７ ＭＰａ。对应于最大载荷的连杆螺栓应 力分布如图３所示。由图３可知，应力集中最严重 的地方出现在螺栓杆部与头部的过渡处，这与试验 结果完全相吻合，证明所建立的模型是正确的。 ２．２．３疲劳寿命计算 从连杆螺栓杆部与头部的过渡圆弧处提取应力 值较大的数点进行疲劳寿命计算。其中应力最大的 节点６个应力分量如表２所示。 完成Ｓ—Ｎ曲线、应力集中系数＿３ 的设定，并手 工输入不同载荷下的６个应力分量以及循环次数 后，系统可计算出耗用寿命系数。一般来说，如果寿 命系数小于１，则表明在经受给定的应力循环次数
图３应力分布图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ
后，该点不会发生疲劳破坏。计算结果表明，当目标循环次数为５×１０ 次时，其耗用寿命系数为５，即 实际可循环的次数为１Ｏ 次。由此可见，连杆螺栓的疲劳强度不够，所以在规定的循环次数内，连杆螺 栓颈部必将发生断裂，这与试验结果一致。 表２应力最大节点的６个应力分量 Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｉｘ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎ￣ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｎ ｓｔｒｅｓｓ ｎｏｄｅ 载荷／ＭＰａ Ｓｘ Ｓｙ Ｓｚ ＳｘＹ Ｓｙｚ Ｓｘｚ １６７．０ ４２７．３９０ １ ０２２．９０ ３５９．９２０ —１９２．５２０ —４６２．７７０ —２４．９５９ ０ ９２．０ ２３５．４５０ ５６３．５３ １９８．２８０ —１０６．０６０ —２５４．９４０ —１３．７５０ ０ １６．７ ４２．７３９ １０２．２９ ３５．９９２ —１９．２５２ —４６．２７７ —２．４９５ ９ 注：Ｓｘ、ＳＹ、Ｓｚ分别表示Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的正应力；Ｓｘｙ、Ｓｙｚ、Ｓｘｚ分别表示ＸＹ、ＹＺ、ＸＺ方向的剪应力。
３ 改进措施 提高零件的疲劳寿命可通过以下方法：采用更高强度级别材料的方法；进行结构改进，即改进颈部 的结构，使过渡圆弧处的连接平角平滑以减少应力集中；改进生产工艺，对螺栓颈部进行强化处理，如局 部滚压等工艺，以达到强度要求 ］。 考虑到连杆螺栓的材料选择受工业发展水平和成本的限制，单纯追求高性能的材料来保证连杆螺 栓的疲劳强度是不现实的。对于一个不具备设计资格，单纯进行加工生产的企业来说，进行结构改进也 是行不通的。因此可从工艺改进方面来提高连杆螺栓的疲劳寿命。 （１）局部滚压位置的确定。根据对台阶过渡圆弧处应力集中现象的分析 ］，轮廓线上切向拉应力最 大的点与轴线的夹角 —５０。，在此角度前后一定范围内，应是重点强化区。初步拟定采用法向滚压的 方式。 （２）疲劳寿命分析。在连杆螺栓的有限元模型中，对应力集中区域施加法向滚压力，求解后，进行静 强度分析，确定不同载荷下各点的应力分布数据。然后进行疲劳寿命计算 。 通过试验和计算，得出当滚压力为２Ｏ ｋＮ时，连杆螺栓的耗用寿命系数为０．８。该值小于１，表明在 经受给定的应力循环次数５×１０ 次后，连杆螺栓不会发生疲劳破坏。