比较寿命结果可以发现,施加1.1倍左右峰值载荷预紧力时螺栓连接件寿命最长,与不加预紧力状态相比,二者寿命之比约为r=(2.35*l(T9)/(7.1*1(T7)=33,采取施加适当大小预紧力措施可以大大提高螺纹疲劳寿命。
3.2 螺纹起裂机理探讨
为探讨施加预紧力对螺纹寿命的影响机理,分别将施加1.13倍峰值载荷预紧力状态下和不加预紧力载荷状态下,螺杆与夹头螺母配合上面第一扣螺纹根部端面等效应力(Mpa)变化幅值沿径向方向路径(mm)变化输出并绘图,如图9所示。
图9 螺杆与夹头配合上面第一扣螺纹根部等效应力变化幅值沿半径变化
可以明显看到在螺纹根部位置,不加预紧力状态应力会有急剧变化,因此会产生很大的应力集中。故由此可以得到,预紧力施加对于提高螺纹寿命作用主要体现在:
(1)施加锁紧螺母之后,在预紧力作用下,改变了螺纹根部截面受力分布状态,由于预紧力为内力,始终处于自平衡状态,所以将危险截面从没有锁紧螺母时的夹头螺母最上面一扣螺纹处转移到锁紧螺母最下端螺纹根部截面,而且螺纹根部应力集中明显减小。
施加锁紧螺母之后,虽然最大应力略有增加,但是有预紧力约束,即使在循环应力比为0.05的交变加载状态下,危险部位应力变化幅值比起不加锁紧螺母时小很多,所以其LCF寿命变长。
4 结论
通过对螺栓联接件预紧力、寿命分析和仿真,得出以下结论:
(1)不加预紧力时最危险点出现在螺杆上与夹头上端第一扣配合螺纹根部,如图2中C处,此位置与实验时螺栓联接件螺杆裂纹出现位置吻合。
(2)施加1.1倍左右峰值载荷预紧力对提高螺栓联接组件疲劳寿命最为有利,与不加锁紧螺母寿命相比,前者寿命为后者的30倍,采取适当大小预紧力可以大大提高螺栓联接件寿命。
(3)施加适当大小预紧力,可以改善螺杆最危险截面受力分布,明显地减小螺纹根部应力集中,使得螺杆最危险部位应力变化幅值大大减小,疲劳寿命增长。
(4)本文模型虽然产生于疲劳机高温拉杆,但所得施加预紧力提高螺纹疲劳寿命方法易于推广到机械行业其它类似螺栓联接结构,对于提高螺栓连接组件寿命,增强机械设备使用可靠性具有较高工程参考意义。