Page 38 - 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

而提出设计优化建议。为了研究不同疲劳载荷频率 力随位移变化曲线如图4所示。由图4可知：对试验
对单螺栓搭接结构和多螺栓搭接结构疲劳寿命的影 结果和仿真结果进行对比，证明建立的有限元模型
响，设计了方案4、方案8和方案9。通过改变载荷频 预测的连接结构最大承载力以及连接结构中螺栓发
率，了解其对疲劳寿命的影响机制，为工程应用提供 生断裂时的断裂位移与试验结果有很好的一致性。
参考。 保障了后续有限元仿真分析结果的可靠性。
表3 单螺栓搭接疲劳仿真试验方案
方案 转角/rad 载荷幅值/mm 载荷频率/Hz

1 2.20 1.100 12
2 2.30 1.100 12
3 2.45 0.660 12
4 2.45 1.100 12
5 2.45 1.474 12
6 2.45 0.150 12
7 2.45 0.880 12
8 2.45 1.100 3
图 4 单螺栓搭接结构拉伸试验加载力 - 位移曲线
9 2.45 1.100 100
2 不同因素对搭接疲劳寿命的影响
表4 多螺栓搭接疲劳仿真试验方案
2.1 预紧力对搭接疲劳寿命的影响
方案 转角/rad 载荷幅值/mm 载荷频率/Hz
研究不同装配预紧力对单螺栓和多螺栓搭接结
1 2.20 1.100 12
构疲劳寿命的影响。图5为不同预紧力下单螺栓和
2 2.30 1.100 12
多螺栓搭接结构的疲劳寿命曲线。由图5可知： 对于
3 2.45 0.660 12
单螺栓搭接结构，随着预紧力增加，疲劳寿命呈现明
4 2.45 1.100 12
显的延长趋势，当预紧力从5 500 N增加到6 500 N
5 2.45 1.474 12
时，疲劳寿命显著延长，这说明在预紧力增加的初期
6 2.45 0.300 12
阶段，螺栓连接处的应力集中效应显著减弱，微动磨
7 2.45 0.880 12
损减少，从而延长了螺栓的疲劳寿命，然而，当预紧
8 2.45 1.100 3
力超过6 500 N时，疲劳寿命的延长幅度减小，表明
9 2.45 1.100 100
在达到某一临界值后，进一步增加预紧力对疲劳寿
1.5 搭接疲劳有限元模型有效性验证 命的延长作用有限，这种现象可以归因于接头在高
为验证有限元模型有效性，在分析有限元仿真 预紧力下应力状态接近理想状态，继续增加预紧力
结果之前，使用拉伸试验机对螺栓连接结构进行纵向 的效果逐渐减弱；对于多螺栓搭接结构，螺栓结构的
单轴拉伸试验，目的是与有限元仿真结果对比，验证 疲劳寿命也随着预紧力的增加而延长，当预紧力从
仿真结果的准确性。首先，在有限元模型中施加预紧 6 000 N增加到7 000 N时，螺栓的疲劳寿命显著延
力。通过在螺栓头部和螺母上施加对称约束，并在螺 长，说明初期增加预紧力有效减小了应力集中和微
母上施加绕z轴的转角位移，使螺栓受到拉紧力的作 动磨损，然而，当预紧力超过7 000 N时，疲劳寿命
用，达到预定的预紧力。该过程确保了螺栓连接处的 的延长趋势趋于平缓，进一步增加预紧力对疲劳寿
初始应力状态符合实际工况。预紧力的施加是仿真 命的影响较小，这与单螺栓搭接结构的表现一致。
试验的第一步，其目的是模拟实际工况下螺栓的初始 2.2 载荷频率对搭接疲劳寿命的影响
状态，为后续的疲劳载荷循环施加奠定基础。 评估不同载荷频率对单螺栓和多螺栓搭接结
在施加预紧力后，进行疲劳载荷的循环施加。 构疲劳寿命的影响，并拟合 S-N 曲线。图 6 为不
根据标准GJB 715.9—1990，使用5个载荷确定S（应 同载荷频率下单螺栓和多螺栓搭接结构的疲劳寿
-
力幅值）N（疲劳寿命）曲线。对单搭接结构进行静 命曲线。由图 6 可知：对于单螺栓搭接结构，随着
强度仿真分析，按线性方式逐渐加载位移载荷，加载 载荷频率从 3 Hz 增加到 100 Hz，螺栓的疲劳寿命

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