Page 37 - 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

图 2 单螺栓搭接结构有限元模型

（1）
式中：A 为准静态屈服强度；B 为硬化模量；C 为应
变率敏感系数；n 为硬化指数； 为塑性应变； 为
应变率； 为参考应变率；m 为温度软化指数；T 为
材料的绝对温度；T 为参考温度；T 为材料的
room melt
熔点温度； 为应力。

表1 TC4合金塑性参数

塑性应力/MPa 塑性应变 塑性应力/MPa 塑性应变
图 3 多螺栓搭接结构几何模型
1 058.21 0 1 295.17 0.066 58
1.3 材料参数设定
1 119.05 0.002 28 1 302.38 0.071 61
螺栓和螺母均采用 TC4 合金材料，建立了其
1 145.73 0.004 83 1 308.46 0.076 65
典型金属弹性和塑性本构模型。材料参数通过准
静态拉伸试验获取，弹性模量为 93.2 GPa，泊松比 1 168.36 0.007 53 1 315.10 0.081 70
为 0.34，塑性参数如表 1 所示 。被连接件材料为 1 210.18 0.008 98 1 322.22 0.086 69
[9]
TC4 和 Al6061 合金，分别建立其金属弹性和塑性 1 237.48 0.016 97 1 328.67 0.091 53
本构模型。TC4 合金的弹性模量为 80 GPa，泊松 1 259.50 0.028 28 1 335.59 0.096 42
比为 0.34；Al6061 合金的弹性模量为 70 GPa，泊 1 277.74 0.046 03 1 342.71 0.101 35
松比为 0.27。采用 Johnson-Cook 本构模型，本构 1 282.10 0.057 05 1 348.41 0.106 28
方程如式（1） 所示，具体参数如表 2 所示。 1 288.43 0.061 54 1 354.86 0.111 04
表2 被连接件Johnson-Cook本构参数
材料 准静态屈服强度/MPa 硬化模量/MPa 硬化指数 应变率敏感系数 温度软化指数

TC4 831 857 0.302 0.015 0.724
Al6061 148 361 0.183 0.001 0.859
1.4 搭接疲劳仿真试验方案 结构和多螺栓搭接结构疲劳寿命的影响，设置了方
通过加载不同的预紧力、载荷幅值和载荷频率， 案1、 方案2和方案4。通过改变预紧力，分析其对螺
分别对单螺栓搭接结构和多螺栓搭接结构进行疲劳 栓连接疲劳寿命的影响，并确定最优的预紧力范围。
仿真试验。每种结构各设置9组仿真试验， 具体的试 为了研究不同疲劳载荷幅值对单螺栓搭接结构和多
验方案设计如表3，4所示。 螺栓搭接结构疲劳寿命的影响，设置了方案 3~7。
首先，为了研究不同装配预紧力对单螺栓搭接 通过改变载荷幅值，探讨其对疲劳寿命的影响，进

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