Page 36 - 理化检验-物理分册2025年第四期

高学敏，等：基于ABAQUS软件的螺栓连接疲劳行为及寿命预测

紧固件作为通用基础件，是工程和制造中不可 1.1 螺栓搭接疲劳有限元建模方法
或缺的重要组成部分。在航空航天领域，飞机连 利用ABAQUS软件建立了单螺栓搭接结构的有
接依赖各类紧固件，可确保飞行器的结构牢固可 限元模型，包含螺栓、螺母、被连接板及垫片等部件。
靠，飞行器部段之间的连接也离不开紧固件的支持。 采用的螺栓为M6标准件， 符合GB/T 5782—2016 《六
因此，螺栓连接的可靠性对于保障航空航天飞行器 角头螺栓》要求，螺母同样为M6标准件，符合GB/T
的安全和稳定运行至关重要 。 41—2000 《六角螺母 C级》要求，圆垫片的外径为
[1]
当前常用的机械连接方式中，螺栓连接是一种 11 mm，内径为6.6 mm，厚度为1.5 mm，被连接板的
可拆卸的固定连接，具有结构简单、连接可靠、装拆 尺寸为96 mm×48 mm×6 mm（长度×宽度×高度） 。
方便等优点。SUN和LIAO等 [2-3] 通过对螺纹的建 在建立有限元模型时，首先采用CAD软件绘制
模和分析，得到螺纹轴向载荷和应力分布规律，研究 螺栓、螺母及垫片的几何模型，然后在ABAQUS软件
了螺纹的形状和螺栓效应对螺栓疲劳的影响，研究 中进行网格划分，模型采用的网格单元类型为C3D8R
结果对建立螺栓疲劳模型提供了理论上的帮助，利 线性缩减积分单元，并对螺纹处的网格进行局部细化
用有限元仿真分析等技术，对螺栓连接在循环载荷 处理，以更准确地模拟应力集中效应。该方法得到的
下的疲劳性能进行模拟和预测。PAI等 通过建立 螺纹部分单元形状规则，螺纹处网格细节如图1所示。
[4]
复杂的有限元模型，结合材料的自身结构、载荷历程
和几何非线性等因素，实现了对螺栓连接疲劳寿命
的准确预测。HOUSARI等 开展了针对螺栓连接
[5]
应力松弛现象的仿真研究，通过分析材料的弹性和
塑性行为，模拟了预紧后螺栓连接的应力状态变化，
研究结果为应力松弛影响的评估提供了理论基础。
图 1 单螺栓搭接结构网格划分示意
MAGGI等 对螺栓进行仿真分析，研究了疲劳载荷
[6]
1.2 边界条件及载荷设置
和应力松弛对螺栓连接寿命的综合影响。ZHANG
等 开发了一种多尺度仿真方法，用于研究复杂工 有限元模型的边界条件及载荷设置至关重要，有
[7]
利于确保仿真结果的准确性和可靠性。单螺栓搭接
况下的螺栓连接疲劳行为。吕金峄等 发现某摇臂
[8]
结构有限元模型如图2所示。首先，对固定板的左端
螺栓在使用过程中因偏载而发生疲劳断裂，并研究
了外载荷对螺栓连接疲劳行为的影响。 面施加运动耦合约束，将其与参考点1连接， 对参考点
综上所述，国内外学者已针对螺纹副的仿真建 1施加完全约束。将螺母整体与参考点3进行运动耦
模进行了大量研究，但是对于螺纹副服役搭接疲劳 合约束，并对参考点3施加绕z轴的转角位移，通过螺
可靠性的仿真方法及预测模型研究还不充分，还不 纹间的相对运动实现螺栓的拉紧，进而施加预紧力。
能形成相应的仿真数据库。基于以上研究现状，笔 为模拟实际工作环境中的疲劳载荷情况，将移
者以典型材料螺纹副为研究对象，构建了仿真模型， 动板的右端面与参考点2进行运动耦合约束， 对参考
获取螺栓连接的有限元关键建模方法，为后续的螺 点2施加应力比为0.1的正弦位移载荷，其中载荷峰
栓服役及正向设计提供分析方法，同时建立了典型 值为P ，载荷频率为ω。此过程模拟了螺栓连接在
m
工况下螺纹副服役搭接疲劳的仿真模型，并对影响 循环载荷作用下的疲劳行为。通过对参考点2施加
服役的关键因素进行分析，结果可为后续典型螺纹 周期性位移载荷，观察螺栓连接的应力应变分布及
副服役及可靠性提供数据支撑。 裂纹扩展规律。
1 螺纹连接疲劳仿真分析模型 根据标准GJB 715.9—1990，在单螺栓搭接结构
基于GJB 715.9—1990 《紧固件试验方法 抗剪 有限元模型的基础上，进一步建立多螺栓搭接结构
接头疲劳》，建立了典型材料螺纹连接的疲劳仿真分 有限元模型，结果如图3所示。多螺栓搭接结构的
析模型，研究螺栓连接在疲劳载荷下的应力应变分 螺栓、螺母及垫片尺寸保持不变，被连接件及搭接相
布、裂纹生成与扩展规律，并评估了不同因素对搭接 关尺寸按照标准GJB 715.9—1990的规定进行设置。
疲劳寿命的影响。通过有限元仿真和试验验证相结 材料参数、边界条件及外部载荷等方面的设置均与
合的方法，确定了影响螺栓连接性能的关键因素，为 单螺栓搭接结构有限元模型保持一致，以确保两种
设计优化和可靠性评估提供理论依据。 模型的对比分析具有一致性和可比性。

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