螺栓松動(dòng)與疲勞競爭失效評(píng)估理論和方法研究

從螺栓松動(dòng)理論、松動(dòng)試驗(yàn)、松動(dòng)仿真和防松措施等方面對(duì)螺栓松動(dòng)研究進(jìn)行了歸納總結(jié)；

從螺栓疲勞理論、疲勞試驗(yàn)、疲勞仿真和疲勞壽命預(yù)測方法等方面對(duì)螺栓疲勞問題進(jìn)行了對(duì)比綜述；

對(duì)螺栓區(qū)疲勞試驗(yàn)和螺栓松動(dòng)與疲勞競爭失效機(jī)制進(jìn)行了介紹；

最后對(duì)未來螺栓接頭的研究方向以及亟待解決的問題進(jìn)行了評(píng)述和探討，以期對(duì)螺栓失效研究以及工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)和幫助。

眾所周知，螺栓連接作為一種重要的連接方式，廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、軌道車輛、航空航天、家用電器等領(lǐng)域。如今，工程上越來越多地使用螺栓連接，而螺栓接頭作為整個(gè)結(jié)構(gòu)最薄弱的部位影響了結(jié)構(gòu)的整體剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率下降。

螺栓失效受多種因素影響，主要失效形式包括：橫向載荷作用下螺栓的松動(dòng)、軸向載荷作用下螺栓的疲勞、螺栓連接區(qū)疲勞、蠕變斷裂、腐蝕斷裂、韌性斷裂和氫脆等，而螺栓的松動(dòng)與疲勞斷裂是最常見的2種失效形式。

近年來，為提升螺栓接頭的強(qiáng)度，越來越多地采用高強(qiáng)度螺栓。地鐵車輛系統(tǒng)中也廣泛采用了高強(qiáng)度螺栓連接，尤其是制動(dòng)單元與轉(zhuǎn)向架之間的螺栓接頭決定著車輛運(yùn)行的可靠性。因此，對(duì)螺栓失效研究具有重要意義。

之前對(duì)螺栓失效的研究主要基于螺栓試驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面，近年來有限元仿真研究越來越占據(jù)主流，但如何準(zhǔn)確模擬螺栓接頭及準(zhǔn)確提取螺栓受力？尚待深入研究。

對(duì)于螺栓的失效問題，仍然有很多問題沒有得到很好地解決，如微動(dòng)松動(dòng)、微動(dòng)疲勞、螺栓區(qū)疲勞、螺紋牙受力等。因此，開展螺栓接頭的失效評(píng)估顯得尤為重要。

螺栓失效研究，主要圍繞螺栓松動(dòng)、螺栓疲勞和螺栓區(qū)疲勞以及螺栓松動(dòng)與疲勞競爭機(jī)制等展開。本文將從這4個(gè)方面入手，對(duì)螺栓失效研究進(jìn)行全面梳理和研究，旨在討論螺栓失效評(píng)估理論和方法，為工程應(yīng)用提供一定的參考。

1、螺栓松動(dòng)

在動(dòng)態(tài)載荷如振動(dòng)、沖擊以及循環(huán)載荷等作用下，常常會(huì)導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，螺栓松動(dòng)是螺栓連接結(jié)構(gòu)的主要失效形式，其不僅會(huì)引發(fā)機(jī)械異響或介質(zhì)泄漏等問題，甚至還會(huì)造成嚴(yán)重的工業(yè)事故。

由于松動(dòng)機(jī)理復(fù)雜且松動(dòng)過程監(jiān)測困難，至今尚未形成統(tǒng)一全面的認(rèn)識(shí)。本節(jié)將通過螺栓松動(dòng)理論、松動(dòng)試驗(yàn)、松動(dòng)仿真以及防松措施這4個(gè)方面進(jìn)行論述。

1.1 螺栓松動(dòng)理論

螺栓的松動(dòng)過程一般都是非線性的，往往是螺紋的接觸部位發(fā)生微觀滑動(dòng)現(xiàn)象，然后漸漸轉(zhuǎn)化為宏觀的松動(dòng)現(xiàn)象。

精確測量螺栓松動(dòng)和研究螺栓松動(dòng)機(jī)理是預(yù)測螺栓松動(dòng)的前提，但是受技術(shù)條件以及觀測難度等因素限制，迄今為止還未能形成很好的直接監(jiān)測螺栓松動(dòng)的方法。關(guān)于螺栓松動(dòng)機(jī)理也一直是人為假設(shè)，沒有夯實(shí)的理論支撐。

螺栓主要是在橫向載荷下發(fā)生松動(dòng)失效，失效原因有以下解釋：

如圖1(a)所示，當(dāng)一個(gè)物塊在平面上時(shí)，若需要將它移動(dòng)，則可以在1方向施加一個(gè)能夠克服最大摩擦力(μmg)的力，但是如果當(dāng)2方向有這樣的一個(gè)力，那么1方向只需要提供很小的力就可以推動(dòng)物塊。

如圖1(b)所示，當(dāng)物塊在斜面上時(shí)，由于傾斜角度小于摩擦角，所以物塊有自鎖作用，不會(huì)向下滑動(dòng)。但是如果給物塊施加一個(gè)橫向激勵(lì)，那么物塊就會(huì)在重力的作用下向下滑動(dòng)。

螺栓松動(dòng)就類似于這樣的過程，只不過重力類似于螺栓預(yù)緊力、軸向載荷等一些軸向力，橫向激勵(lì)類似于螺栓的橫向載荷。Jiang等通過螺栓接頭扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了螺栓接頭松動(dòng)主要是由接觸表面上的微滑動(dòng)造成的。

螺栓松動(dòng)還可以用能量理論來解釋。Yamamoto 等認(rèn)為螺栓的擰緊、松動(dòng)與能量有關(guān)，本質(zhì)上是能量的聚集與耗散，認(rèn)為螺栓在擰緊時(shí)注入了多余的能量，而當(dāng)螺紋副之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，多余的能量被釋放出來，螺栓開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了從能量角度更加深入地研究螺栓松動(dòng)原理，Andrew等研究發(fā)現(xiàn)螺栓的能量耗散程度與螺紋接觸面的粗糙程度、外載荷作用形式、外載荷頻率以及幅值有關(guān)。

1.2 螺栓松動(dòng)試驗(yàn)

螺栓松動(dòng)主要由橫向載荷引起，因此研究螺栓松動(dòng)主要考慮橫向載荷對(duì)螺栓的影響，但也有專家學(xué)者就軸向載荷對(duì)螺栓松動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。所以本節(jié)將螺栓松動(dòng)試驗(yàn)分為橫向載荷與軸向載荷2種形式分別敘述。

圖1 螺栓松動(dòng)機(jī)理解釋模型

1.2.1 橫向載荷下的螺栓松動(dòng)試驗(yàn)

關(guān)于橫向載荷對(duì)螺栓松動(dòng)的影響，最早由Junker率先對(duì)橫向載荷下的螺栓松動(dòng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了Junker橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，并利用此試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓進(jìn)行了橫向振動(dòng)試驗(yàn)。

通過分析螺栓接頭殘余預(yù)緊力的大小，提出螺栓受到橫向載荷(或橫向位移)時(shí)，螺栓更容易發(fā)生松動(dòng)，即橫向激勵(lì)是螺栓松動(dòng)的最大影響因素。Junker的研究為橫向振動(dòng)下的螺栓松動(dòng)理論奠定了基礎(chǔ)，他所設(shè)計(jì)的緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)與試驗(yàn)方法沿用至今。

Yamamoto等首先發(fā)現(xiàn)螺栓螺桿在橫向振動(dòng)下會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)扭轉(zhuǎn)變形累積到一定程度后，螺桿會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致螺栓松動(dòng)。

Chang等提出螺栓的松動(dòng)可分為材料松動(dòng)期與結(jié)構(gòu)松動(dòng)期2個(gè)階段，并且發(fā)現(xiàn)螺栓塑性變形會(huì)引起螺栓預(yù)緊力的下降。

國內(nèi)專家學(xué)者也對(duì)橫向載荷下的螺栓松動(dòng)過程進(jìn)行了深入的研究。李海江等對(duì)橫向振動(dòng)下的螺栓松動(dòng)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在松動(dòng)初期，預(yù)緊力與橫向振動(dòng)次數(shù)之間滿足雙指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且振動(dòng)位移幅值越大，螺栓越容易松動(dòng)。

姜世霖等在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)橫向振動(dòng)頻率對(duì)松動(dòng)的影響較小，橫向位移幅值是影響螺栓松動(dòng)的主要因素。并且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)橫向位移幅值存在門檻值，在低于某個(gè)幅值的振動(dòng)下，螺栓不會(huì)發(fā)生松動(dòng)，在達(dá)到疲勞壽命后，直接發(fā)生疲勞斷裂。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，橫向位移幅值是螺栓松動(dòng)的主要原因。

1.2.2 軸向載荷下的螺栓松動(dòng)試驗(yàn)

由于軸向載荷對(duì)螺栓具有自鎖作用，在彈性范圍內(nèi)，螺栓張緊力并不會(huì)持續(xù)降低，只是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，所以研究螺栓在軸向載荷作用下的松動(dòng)大多是集中在塑性變形及微動(dòng)磨損方面。

Ibrahim等進(jìn)一步研究了螺栓松動(dòng)原因，發(fā)現(xiàn)螺栓在軸向振動(dòng)下，螺紋接觸面間會(huì)發(fā)生磨損，而磨損會(huì)導(dǎo)致螺栓張緊力下降，進(jìn)一步導(dǎo)致摩擦力下降，在這種相互負(fù)反饋的作用下，螺栓連接開始松動(dòng)。

此外，Liu等還進(jìn)行了L型短柱螺栓接頭在周期性彎曲與軸向載荷下的松動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著激勵(lì)大小、偏心率、螺紋損壞、自松程度以及初始預(yù)緊力的增加，螺紋的損壞和自松弛的程度減小。

以上螺栓松動(dòng)試驗(yàn)研究直觀地反映了螺栓在不同載荷形式下的松動(dòng)問題，研究橫向載荷時(shí)往往都是基于橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的。

目前主要是國外專家學(xué)者通過試驗(yàn)研究軸向載荷對(duì)螺栓松動(dòng)的影響因素，其中橫向載荷與軸向載荷施加形式基本都是循環(huán)載荷，但是循環(huán)載荷卻不僅限于軸向和橫向，還有諸如偏心載荷、彎曲載荷等，可以在未來進(jìn)行更好地研究。

以后還可以開展螺栓在隨機(jī)載荷作用下的松動(dòng)試驗(yàn)，以更好地貼近螺栓實(shí)際運(yùn)用中的松動(dòng)問題。

1.3 螺栓連接松動(dòng)仿真

由于螺栓接頭接觸面是封閉的，很難時(shí)時(shí)監(jiān)測螺栓受力及失效過程，螺栓的試驗(yàn)研究也僅限于得到螺栓松動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，而很難監(jiān)測到螺栓具體的松動(dòng)過程。所以針對(duì)這種情況，有必要利用有限元仿真來模擬螺栓松動(dòng)失效形式，分析螺栓松動(dòng)過程，找出松動(dòng)原因并提出理論假設(shè)。

螺栓有限元建模方法主要分為有限元數(shù)值建模和理論建模兩方面，目前對(duì)螺栓的建模方法主要集中在有限元數(shù)值建模上。

鞏浩等通過多種有限元仿真對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除了塑性變形和螺紋間相對(duì)旋轉(zhuǎn)外，應(yīng)力再分布是導(dǎo)致預(yù)緊力衰退的另一個(gè)重要原因，并且提出了螺栓預(yù)緊力衰退曲線的3個(gè)階段：第1階段為非線性快速衰退；第2階段為預(yù)緊力線性衰退；第3階段為螺栓發(fā)生疲勞斷裂，預(yù)緊力快速降至0。

鄔杰等通過精細(xì)化數(shù)值模型研究了不同因素對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)橫向松動(dòng)壽命的影響，發(fā)現(xiàn)橫向力與預(yù)緊力對(duì)旋轉(zhuǎn)松動(dòng)剛度的影響是單調(diào)遞減的，螺紋面摩擦因數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)松動(dòng)剛度的影響是單調(diào)遞增的。

此外，發(fā)現(xiàn)采用線性的松動(dòng)壽命預(yù)測函數(shù)評(píng)估螺栓連接結(jié)構(gòu)服役壽命具有較高精度。Zhang等建立了螺紋表面磨損輪廓演變的有限元模型，結(jié)果表明，螺紋之間接觸應(yīng)力的變化會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力逐漸減小，從而產(chǎn)生微動(dòng)磨損。

Nassar等基于微分方程和試驗(yàn)提出了一種數(shù)學(xué)模型來研究螺栓松動(dòng)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同樣的載荷幅值，頻率越低可能會(huì)使螺栓更容易松動(dòng)。

Samantaray等進(jìn)行了螺栓接頭的三維有限元分析，研究了靜態(tài)載荷對(duì)螺栓連接桿結(jié)構(gòu)的完整性、撓度性能、螺母和螺栓的松動(dòng)以及變形特性的影響，以提高軌道接頭的性能和延長預(yù)期壽命。

有限元仿真可以高效精確地模擬螺栓失效，是驗(yàn)證理論假設(shè)、佐證試驗(yàn)規(guī)律的有利工具。

上述幾種模型都屬于螺栓精細(xì)化模型，運(yùn)用了能量法、數(shù)值模型、微分法等多種建模方法，可以很好地模擬螺栓松動(dòng)失效。

1.4 螺栓防松措施

螺栓防松措施有很多，大致可以分為保持預(yù)緊力、破壞螺紋副運(yùn)動(dòng)關(guān)系、摩擦防松等。

1.4.1 保持預(yù)緊力

保持預(yù)緊力是最直接的螺栓防松方法。Ding等提出保持足夠的螺栓拉力，從而保持初始預(yù)緊力，使接頭和螺桿更緊密地配合，可以防止接頭在彎曲時(shí)喪失結(jié)構(gòu)完整性。

Liu等將MoS2作為涂層涂在螺栓上以保持螺栓預(yù)緊力，發(fā)現(xiàn)此方法具有很好的防松效果。

1.4.2 破壞螺紋副運(yùn)動(dòng)關(guān)系

防止接觸面相對(duì)滑移是從載荷輸入的方面考慮防松，此方法破壞螺栓螺紋關(guān)系，不可拆卸，適用于永久性連接中。包括：

(1)焊接，將螺母焊接于螺桿上；

(2)沖點(diǎn)，用沖頭在螺桿末端與螺母面旋合縫處打沖，利用沖點(diǎn)防松；

(3)涂膠粘劑，在螺紋副間涂液體膠粘劑，膠粘劑固化后能防止螺母轉(zhuǎn)動(dòng)；

(4) 鉚合，螺栓擰緊后將螺桿末端伸出螺母的部分鉚死，阻止螺栓松動(dòng)。

1.4.3 摩擦防松

唐氏螺紋(圖2)屬于摩擦防松，它同時(shí)具有左旋螺紋和右旋螺紋，在裝配時(shí)，可以同時(shí)安裝2個(gè)不同旋向的螺母，先安裝右旋螺母，之后再安裝左旋螺母。當(dāng)發(fā)生松動(dòng)時(shí)，2個(gè)螺栓的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以相互約束。試驗(yàn)測得這種螺栓結(jié)構(gòu)具有較好的防松效果。

螺栓松動(dòng)是螺栓失效的主要原因之一，目前主要基于能量理論來解釋螺栓松動(dòng)機(jī)理，認(rèn)為螺栓的預(yù)緊和松動(dòng)是能量的聚集與耗散過程。

在分析造成能量耗散以及松動(dòng)的原因時(shí)，一般認(rèn)為橫向載荷是造成松動(dòng)的主要原因，并且載荷頻率與松動(dòng)關(guān)系并不大，而載荷幅值會(huì)對(duì)松動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，所以現(xiàn)階段的研究更多集中在載荷幅值、加載形式等。

由于螺栓工作區(qū)域很難監(jiān)測，所以在分析松動(dòng)具體過程時(shí)，有限元模型可以很好地幫助模擬，并有望成為未來螺栓研究的主流方法。

圖2 唐氏螺紋

2、螺栓疲勞

除了螺栓松動(dòng)之外，螺栓疲勞也是螺栓失效的一種重要形式?；诂F(xiàn)有的強(qiáng)度理論模型來計(jì)算螺栓疲勞仍舊比較困難，在實(shí)際工程中往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定螺栓疲勞失效，但具有較大的誤差。

對(duì)于螺栓疲勞失效研究，本文將通過螺栓疲勞理論、螺栓疲勞試驗(yàn)、螺栓疲勞仿真以及螺栓疲勞壽命預(yù)測四部分分別進(jìn)行闡述。

2.1 螺栓疲勞理論

大量的疲勞試驗(yàn)和破壞事故表明：裂紋源總是起始于應(yīng)力集中的位置，應(yīng)力集中是構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞最主要的原因。零件在生產(chǎn)時(shí)不可避免地存在缺口、夾雜等制造缺陷，在外力作用下，缺口處承載面積減小產(chǎn)生局部高應(yīng)力，引起應(yīng)力集中導(dǎo)致部件出現(xiàn)微小裂紋，繼而擴(kuò)展成大裂紋，最后斷裂。

這種隨著載荷循環(huán)的累積而逐漸斷裂的現(xiàn)象，可以用疲勞累計(jì)損傷理論來描述。其中，Miner線性累計(jì)損傷理論應(yīng)用最廣泛。根據(jù)Miner線性累計(jì)損傷理論可以知道疲勞具有以下特點(diǎn):

(1) 僅在受到外界擾動(dòng)作用的情況下才會(huì)出現(xiàn)；

(2) 局部的高應(yīng)變或者高應(yīng)力是疲勞破壞的根源；

(3) 在得到充分的載荷擾動(dòng)之后才會(huì)形成疲勞破壞，產(chǎn)生裂紋或全部斷裂；

(4) 疲勞需要適當(dāng)?shù)陌l(fā)展過程。

根據(jù)以上疲勞理論，可以對(duì)螺栓進(jìn)行相應(yīng)的疲勞試驗(yàn)以及仿真模擬。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于螺栓連接結(jié)構(gòu)，有半數(shù)以上的破壞是由于螺栓疲勞導(dǎo)致。

螺栓疲勞主要是在軸向載荷作用下，螺紋牙根部、螺栓頭等部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，然后再產(chǎn)生微裂紋，最后擴(kuò)展直至斷裂的過程。

幾乎所有的零部件都面臨疲勞問題，而由于螺栓連接處應(yīng)力較大，工作環(huán)境更為惡劣，因此針對(duì)它的疲勞研究顯得尤為重要。

2.2 螺栓疲勞試驗(yàn)

Guo等通過對(duì)螺栓接頭開展疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度鋼基材和多孔板在有限的疲勞范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的疲勞性能，疲勞極限高于理論值，且應(yīng)力集中會(huì)降低螺栓的疲勞強(qiáng)度，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，螺栓會(huì)發(fā)生瞬時(shí)斷裂。這表明應(yīng)力集中是疲勞破壞的根源。

Diana等研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼螺栓可以用玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物(BFRP)螺栓代替，且不會(huì)影響接頭的靜態(tài)和疲勞性能。

Wang等研究不銹鋼螺栓在拉伸和剪切載荷下的疲勞性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，就拉伸疲勞而言，與螺栓螺母相鄰的區(qū)域是最容易受到破壞的部分，最大主應(yīng)力主導(dǎo)著剪切面上帶有螺紋的緊固件的疲勞壽命?？招穆菟ǖ钠趶?qiáng)度略高于普通螺栓，并且建議修改剪切疲勞的規(guī)定，以實(shí)現(xiàn)更高的精度及更好地應(yīng)用。

以上試驗(yàn)研究也證實(shí)了螺栓疲勞理論，螺栓發(fā)生疲勞破壞前都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

螺栓雙搭接接頭在工程中非常常見，是一種典型的螺栓連接方式，專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究。

Chakherlou等對(duì)2024-T3鋁合金的雙搭接螺栓接頭試樣進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，研究了螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓雙搭接接頭疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力增加了螺栓疲勞壽命。

Esmaeili等在此基礎(chǔ)上對(duì)2024-T3鋁合金雙搭接螺栓接頭進(jìn)行了多軸疲勞分析，認(rèn)為螺栓連接可以通過增加螺栓孔周圍的壓應(yīng)力來增加預(yù)緊力，從而增加螺栓疲勞壽命。根據(jù)以上的試驗(yàn)結(jié)論可以知道，增大預(yù)緊力是提高螺栓疲勞壽命的有效方法。

以上試驗(yàn)研究反映了不同材料、不同載荷形式對(duì)螺栓疲勞的影響，可與有限元仿真結(jié)果相互佐證。

2.3 螺栓疲勞仿真

與螺栓松動(dòng)類似，對(duì)螺栓疲勞的試驗(yàn)研究也僅局限于螺栓在特定載荷下的試驗(yàn)結(jié)果，所以有限元仿真是螺栓疲勞分析最常用的一種方法。

Gaiotti等對(duì)鋼-復(fù)合材料螺栓接頭進(jìn)行了非線性有限元仿真，獲得了船舶側(cè)殼復(fù)合材料層合板的漸進(jìn)破壞曲線，并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

Poovakaud等運(yùn)用一種簡化的建模技術(shù)建立了螺栓接頭的三維實(shí)體模型，得到了在準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞載荷條件下最優(yōu)的螺栓接頭有限元模型，對(duì)裂紋起始位置和接頭疲勞壽命的進(jìn)一步研究提供了參考。

湯春球等對(duì)螺栓疲勞進(jìn)行了有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)螺栓疲勞失效發(fā)生的最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)閮?nèi)外螺紋嚙合的尾端，并且應(yīng)力幅值越大導(dǎo)致螺栓的疲勞壽命越短。徐忠根等建立了雙剪切面螺栓連接板的有限元模型，分析了端距和螺栓布置形式對(duì)連接板的荷載-位移曲線、應(yīng)力分布規(guī)律和破壞模式等方面的影響，認(rèn)為螺栓連接構(gòu)件的端距可以放寬到1.2d0范圍內(nèi)，且其承載力應(yīng)適當(dāng)降低。

2.4 螺栓疲勞壽命預(yù)測

相比螺栓松動(dòng)，螺栓疲勞壽命預(yù)測有更豐富的理論模型與方法，并且可以與有限元仿真等結(jié)合起來。

Zhang等基于波能量耗散(WED)的線性聲學(xué)方法和基于聲學(xué)非線性(CAN)的振動(dòng)聲調(diào)制(VM)方法對(duì)3種類型螺栓接頭的松動(dòng)和殘余扭矩進(jìn)行了定量估計(jì)，建立了一種基于赫茲接觸理論的分析模型，從而將波能量耗散與松動(dòng)螺栓的殘余扭矩聯(lián)系起來。

結(jié)果表明，基于CAN的VM方法比基于WED的線性聲學(xué)方法具有更高的準(zhǔn)確性和敏感性，并且具有檢測多類型螺栓松動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

Bartsch等得到了對(duì)螺栓接頭準(zhǔn)確的數(shù)值模擬方法，并使用有效缺口應(yīng)力概念評(píng)估了螺栓接頭的抗疲勞性能，為端板螺栓接頭中的螺栓和焊縫設(shè)計(jì)提供了參考。

Liu等提出了一種螺栓的累積疲勞損傷評(píng)估方法，并且提出了一種簡化的建模策略，以避免對(duì)整個(gè)應(yīng)力循環(huán)歷程進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，簡化效果較好。

螺栓疲勞壽命預(yù)測方法包括有限元仿真、基于力學(xué)與數(shù)學(xué)理論的推導(dǎo)或試驗(yàn)等，并且可以根據(jù)精度的不同選擇不同的預(yù)測方法。螺栓疲勞是螺栓最常見的失效形式，目前對(duì)于螺栓疲勞的研究一般基于疲勞S-N曲線來建立螺栓應(yīng)力與壽命的關(guān)系。

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元仿真模擬也可以很好地彌補(bǔ)試驗(yàn)帶來的誤差。螺栓的疲勞失效源自于短裂紋的影響，未來可以將短裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展與螺栓疲勞相結(jié)合進(jìn)行更加深入的研究。

3、螺栓區(qū)疲勞

3.1 螺栓區(qū)疲勞

螺栓區(qū)是指螺栓頭和螺母壓著的母材區(qū)。對(duì)螺栓接頭的研究一般很少考慮螺栓區(qū)，但是在某些特殊情況下，螺栓區(qū)的疲勞也不可忽略。

例如列車在高速運(yùn)行時(shí)，螺栓區(qū)受到交變的橫向、垂向和縱向載荷作用，非常容易產(chǎn)生疲勞破壞，并且母材在螺栓連接處受到的應(yīng)力最大，在與螺栓頭邊角接觸的地方還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)母材以及螺栓頭具有相當(dāng)大的破壞性。

由于螺栓與螺栓區(qū)都是法向接觸，故軸向載荷對(duì)此有較大的影響，相關(guān)的研究也都是基于軸向載荷，所以本節(jié)將對(duì)軸向拉壓載荷下螺栓區(qū)的疲勞強(qiáng)度研究進(jìn)行論述。

3.2 軸向拉壓載荷下的螺栓區(qū)疲勞

與螺栓螺母接觸的母材區(qū)表面在微觀上是粗糙不平的，在軸向循環(huán)載荷作用下，粗糙面上突起的部分首先發(fā)生接觸，然后發(fā)生塑性變形，使得接觸面變大，增大了軸向載荷的承受能力。但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加以及載荷的增大，母材很容易發(fā)生疲勞現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生壓潰破壞。

謝元洪認(rèn)為在預(yù)緊力作用下，被連接件表面與螺栓頭或螺母支撐面處會(huì)產(chǎn)生塑性變形，并且隨時(shí)間遷移，材料會(huì)發(fā)生蠕變，導(dǎo)致張緊力的減小，從而導(dǎo)致螺栓松動(dòng)疲勞，并且材料表面的微凸體最先變形并且發(fā)生屈服。

Liu等進(jìn)行了軸向張力循環(huán)載荷下盲孔螺栓疲勞性能的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)盲孔螺栓的疲勞強(qiáng)度在可變振幅疲勞載荷下低于恒定振幅疲勞載荷下的相應(yīng)值。以上研究表明，不規(guī)則的振幅更能引起螺栓區(qū)產(chǎn)生疲勞，并且與振幅的最大值有很大關(guān)系。

總的來說，相對(duì)于螺栓的松動(dòng)與疲勞研究，針對(duì)螺栓區(qū)疲勞的研究相對(duì)較少，螺栓區(qū)疲勞可成為未來螺栓研究的另一個(gè)方向。

未來可從不同材料、接觸環(huán)境(如濕度、溫度、溫差)、表面粗糙度等方面研究螺栓與母材的相互作用以及對(duì)螺栓區(qū)進(jìn)行疲勞失效分析。

4、螺栓松動(dòng)與疲勞的競爭失效機(jī)制

螺栓一般在橫向載荷下發(fā)生松動(dòng)失效，在軸向載荷下發(fā)生疲勞失效。但是在實(shí)際工作環(huán)境中，橫向載荷與軸向載荷都是同時(shí)存在的，所以螺栓的松動(dòng)與疲勞都有可能發(fā)生。

而在防止螺栓失效時(shí)，一般只考慮其中一種失效方式，所以需要得出螺栓松動(dòng)與疲勞的競爭失效機(jī)制，預(yù)測螺栓在特定的工作環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生何種失效形式，對(duì)實(shí)際工程與應(yīng)用都有很大的幫助。

競爭失效機(jī)制試驗(yàn)主要是研究螺栓在不同的受力情況下，哪種失效形式最先發(fā)生。

文獻(xiàn)中，姜世霖提出了螺栓松動(dòng)D-N曲線與材料疲勞S-N曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下同樣具有雙直線、高低周分界的特性。

為了對(duì)此做一些研究與試驗(yàn)，姜世霖等自制了一種同時(shí)提供螺栓橫向載荷與軸向載荷的工裝夾具(圖3),可以通過調(diào)整不同的橫向載荷與軸向載荷比例來模擬螺栓不同的工作環(huán)境，以研究螺栓在橫向與軸向激勵(lì)同時(shí)作用下的失效問題。

圖3 拉扭工裝夾具

5、螺絲君經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

螺栓松動(dòng)和疲勞的發(fā)生受多種因素影響，由于螺栓松動(dòng)和疲勞的復(fù)雜性，以及無法直接觀察松動(dòng)或疲勞時(shí)螺紋的具體狀態(tài)，因此只能建立一些相近的模型以及近似理論來描述。

目前對(duì)螺栓松動(dòng)和疲勞的研究主要從螺栓松動(dòng)、螺栓疲勞、螺栓區(qū)疲勞等幾個(gè)方面進(jìn)行。而由于螺栓失效問題的復(fù)雜性，許多問題需要進(jìn)一步深入研究。

(1) 螺栓松動(dòng)理論

螺栓松動(dòng)本質(zhì)上是能量的聚集與耗散，橫向載荷是螺栓松動(dòng)的主要原因，螺栓松動(dòng)試驗(yàn)和仿真互相驗(yàn)證。由于螺栓結(jié)構(gòu)的特殊性，無法觀測螺栓具體松動(dòng)過程，所以以后的松動(dòng)研究可放在如何監(jiān)測螺栓的動(dòng)態(tài)松動(dòng)過程上。

(2) 螺栓疲勞理論

從理論研究、試驗(yàn)分析、疲勞仿真以及疲勞壽命預(yù)測方法4個(gè)方面總結(jié)了目前螺栓疲勞方面的研究進(jìn)度和成果。螺栓疲勞相當(dāng)于特殊形狀的金屬疲勞，可以將普通松動(dòng)涉及的短裂紋擴(kuò)展與螺栓疲勞結(jié)合起來進(jìn)行更加深入地理論研究。

(3) 螺栓區(qū)疲勞

目前，專門針對(duì)螺栓區(qū)疲勞的研究還比較少，更多的是在研究松動(dòng)或者疲勞時(shí)作為一種需要考慮的因素加入相關(guān)試驗(yàn)或仿真。對(duì)螺栓區(qū)疲勞的研究可以將螺栓研究的范圍擴(kuò)大，使得螺栓失效問題的研究不僅僅在螺栓上面，而是進(jìn)一步把目光放在螺栓以外的因素。

(4) 螺栓松動(dòng)與疲勞的競爭失效機(jī)制

螺栓松動(dòng)與疲勞競爭失效是一個(gè)較新的研究方向，它不只專注于螺栓單方面的松動(dòng)或疲勞，而是將有可能發(fā)生的松動(dòng)與疲勞同時(shí)作為考慮對(duì)象，研究這兩者在不同的載荷下哪種先發(fā)生，哪種對(duì)螺栓失效起了主導(dǎo)作用。

在螺栓服役過程中，同時(shí)承受橫向剪切載荷與軸向拉壓載荷，憑借單一的載荷形式得出的試驗(yàn)結(jié)果無法用于復(fù)雜環(huán)境的螺栓失效預(yù)測，所以，對(duì)螺栓松動(dòng)與疲勞的競爭失效機(jī)制的研究有較大的實(shí)用性，未來可作為螺栓研究的一個(gè)新的方向。

作者：徐 陽，陽光武，楊 龍，肖守訥

單位：西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

審核編輯：郭婷