陳榮華， 崔敬巍， 甯佐清， 施紅健

(1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044; 2.中國船舶重工集團公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于ABAQUS對疲勞試驗夾具螺紋的失效分析

陳榮華1， 崔敬巍1， 甯佐清2， 施紅健3

(1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044; 2.中國船舶重工集團公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用成組法對20MnTiB棒材進行疲勞試驗，將所得的數(shù)據(jù)點標在單對數(shù)坐標軸上，通過計算相關(guān)系數(shù)r可知：該組數(shù)據(jù)不滿足S-N曲線擬合的條件，即該組數(shù)據(jù)離散性較大?；贏BAQUS對失效的夾具螺紋進行有限元分析，并根據(jù)失效的螺紋牙部位及幾何形狀，對失效的螺紋牙進行受力分析，建立有限元模型。分析表明：夾具螺紋孔的偏心誤差使得夾具螺紋的局部螺紋牙承受較大應(yīng)力是導致塑性變形的主要原因，從而證實了試驗所得數(shù)據(jù)離散性較大的原因，為今后的疲勞試驗夾具設(shè)計及保護提供了一定的經(jīng)驗。

疲勞實驗; 夾具螺紋; ABAQUS; 疲勞壽命曲線; 螺紋牙失效

0 引 言

高頻疲勞試驗機在配備相應(yīng)試驗夾具后，可以進行測定金屬、合金材料及其構(gòu)件在室溫狀態(tài)下的拉伸、壓縮或拉壓交變負荷的疲勞特性、疲勞壽命、預(yù)制裂紋及裂紋拓展等試驗[1-2]。將不同形狀的試樣固定在高頻疲勞試驗機上，夾具則起到了重要的聯(lián)接作用，常用的有楔形夾具和螺紋夾具。由于螺紋聯(lián)接能承受一定預(yù)緊力且耐疲勞、裝配簡便等特點，在機械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。螺紋試樣夾持裝置能把試驗機的允許負荷施加在螺紋試樣上。由于夾具螺紋加工和裝配過程中存在一定的誤差，導致螺紋牙在試驗過程中受到不同程度的損傷，同時影響了試驗的數(shù)據(jù)可靠性。為此，許多研究人員分析了諸多導致螺紋失效的原因。OKAT[3]發(fā)現(xiàn)螺紋根部圓弧半徑的尺寸很大程度上影響螺紋根部應(yīng)力的大小及分布；薛強等[4-5]提出通過優(yōu)化螺紋圓角半徑和螺紋根部直徑的方法來減小螺紋根部應(yīng)力集中；王波[6]通過ABAQUS施加螺栓預(yù)緊力的方法分析了鋼結(jié)構(gòu)中螺栓聯(lián)接的節(jié)點應(yīng)力分布，為以后鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計提供了有益參考。

本文進行了20MnTiB圓棒材的疲勞試驗，基于大型的有限元軟件ABAQUS對夾具螺紋進行分析，根據(jù)失效的螺紋牙部位及幾何形狀，對失效的螺紋牙進行受力分析，建立有限元模型。

1 疲勞試驗

1.1 試樣制備

根據(jù)金屬軸向標準[7]，試樣采用橫截面為圓形的螺紋聯(lián)接試樣，其形狀及尺寸如圖1所示。試驗件材料為20MnTiB鋼，調(diào)質(zhì)熱處理。疲勞壽命試驗在PLG-100高頻疲勞試驗機上進行，加載應(yīng)力比為-1.

圖1 試樣形狀尺寸

1.2 試樣分組

預(yù)采用成組法[8]得到二參數(shù)S-N曲線斜線部，由前期試驗工作得到了S-N曲線的直線部，并計算出疲勞極限的平均值為400 MPa。由于高應(yīng)力水平的疲勞壽命遠低于低應(yīng)力水平的疲勞壽命，且摸索合適的應(yīng)力水平較易，故試驗應(yīng)力水平分五級由高到低分成四大組，每組試件個數(shù)為6，各組間的應(yīng)力級差為25～35 MPa，具體如表1所示。

表1 試驗分組

2 疲勞試驗結(jié)果分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

隨機抽取30件試樣分成4組，試驗在PLG-100型疲勞試驗機上完成，實驗順序由表2所示。

表2 疲勞壽命測試結(jié)果

表2所示是在四級指定應(yīng)力水平下所得到的疲勞壽命及相應(yīng)的對數(shù)壽命。圖2是將各數(shù)據(jù)點畫在單對數(shù)坐標軸上，然后運用最小二乘法擬合出一條斜線。初步觀察發(fā)現(xiàn)，各數(shù)據(jù)點的分散性很大，①不同級應(yīng)力水平下數(shù)據(jù)點都集中在對數(shù)壽命值為5～7，沒有顯示出明顯的梯度。②同一應(yīng)力水平下各數(shù)據(jù)點離散性跨度較大，且高應(yīng)力下的高周疲勞階段更為突出[9]。針對以上所得結(jié)果運用最小二乘法進行擬合。

圖2S-N曲線

2.2 直線擬合檢驗

直線擬合法是根據(jù)S-N曲線在雙對數(shù)坐標上為直線關(guān)系的假設(shè)。在用直線擬合數(shù)據(jù)點時，一般用最小二乘法擬合，最小二乘法能確定出最佳的擬合直線。但S-N曲線是否可以用直線擬合，可以用相關(guān)系數(shù)r來檢查，

其中：l為觀測值個數(shù)；lgσj為單個觀測值的對數(shù)應(yīng)力；lgNj為單個觀測值的對數(shù)疲勞壽命；LSS為對數(shù)應(yīng)力的方差；LNN為對數(shù)疲勞壽命的方差；LSN為對數(shù)應(yīng)力和對數(shù)疲勞壽命的協(xié)方差。

通過計算可得r的絕對值為0.000 46，而r的絕對值越接近1，說明橫坐標壽命值與縱坐標應(yīng)力值的線性相關(guān)性越好。查相關(guān)數(shù)據(jù)表可知，本文數(shù)據(jù)所對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)的起碼值rmin=0.361，本文實際數(shù)據(jù)所求得的相關(guān)系數(shù)值遠遠小于對應(yīng)的起碼值，故S-N曲線用直線擬合的條件不成立。這也進一步說明了壽命值與應(yīng)力值的相關(guān)性較差，即兩者的離散性較大不能擬合出一條直線。

3 螺紋失效的ABAQUS分析

3.1 失效螺紋牙受力分析

螺紋聯(lián)接是運用最廣泛的聯(lián)接方式之一，由于其自身特殊的結(jié)構(gòu)時常導致黏扣現(xiàn)象甚至發(fā)生疲勞斷裂失效[10-11]。許多研究人員證實螺紋牙承受的載荷是極度不均勻的，尤其是前幾顆螺紋牙承受載荷最大，這就使得前幾顆螺紋牙表面承受的載荷不均勻[12-15]。

夾具壓盤中心螺紋孔在加工過程中存在0.4 mm的偏心傾斜加工誤差。試樣與夾具聯(lián)接后如圖3所示，前兩顆螺紋牙聯(lián)接過緊，使得試樣螺紋與壓盤螺紋聯(lián)接時螺紋牙接觸不均勻，牙根發(fā)生傾斜變形,螺紋牙根部應(yīng)力集中加劇。圖4基于材料力學的懸臂梁理論給出了螺紋牙在變形失效前后的受力情況，很顯然螺紋牙的受力面所承受的均布力整體偏向了螺紋牙頂側(cè)，增大了前幾顆螺紋牙的力矩且進一步擴大了螺紋應(yīng)力集中現(xiàn)象，在交變的高頻疲勞振動下，最終導致螺紋牙從齒根處斷裂失效。

圖3 試件和夾具螺紋的不合理接觸圖4 夾具螺紋牙變形前與變形后的受力

3.2 有限元模型的建立

本文以疲勞試驗中的試樣和所聯(lián)接的夾具為例，夾具尺寸為M16×1的普通三角細牙螺紋，螺紋長度為20 mm，采用二維軸對稱有限元模型對試樣和夾具螺紋聯(lián)接在失效的力學性能下進行有限元分析。根據(jù)夾具的結(jié)構(gòu)和受力特點作以下假設(shè)：①材料為各向同性，忽略螺旋升角的影響；②采用軸對稱結(jié)構(gòu)(ABAQUS關(guān)于Y軸對稱)；③螺紋接觸面間的摩擦與潤滑油有關(guān)，本文假定取0.02。

建立軸對稱模型，試樣的材料為20MnTiB，夾具的材料為45鋼，彈性模量分別取210和206 GPa，泊松比0.3，施加軸向預(yù)緊力16～23 kN，固定夾具壓盤。

圖5為劃分的網(wǎng)格圖，對于螺紋聯(lián)接螺紋牙及周邊區(qū)域是應(yīng)力集中較大的區(qū)域，所以螺紋牙附近采用細化網(wǎng)格，而其他的不重要的區(qū)域采用較粗的網(wǎng)格。

3.3 有限元結(jié)果分析

圖6為有限元分析后的Mises應(yīng)力云圖，很顯然所有螺紋牙根部的應(yīng)力相對于其他區(qū)域要大得多。因為螺紋是典型的缺口件，缺口根部存在很大的應(yīng)力梯度，故螺紋牙根部會產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力應(yīng)變。

夾具螺紋的應(yīng)力梯度較為明顯，第一顆螺紋牙根部紅色區(qū)域是等效應(yīng)力最大的區(qū)域，也是應(yīng)力集中最大的螺紋牙處，符合實際工程中螺紋受力的具體情況，在高頻疲勞試驗中易發(fā)生疲勞斷裂。根據(jù)力學懸臂梁理論可知，由于夾具螺紋孔向左傾斜1.7°，減小了夾具螺紋與試樣螺紋的接觸面積，其次增大了夾具第一顆螺紋牙的力矩，從第一顆螺紋牙到第4顆螺紋牙類推力矩遞減。圖7為螺紋牙根部的應(yīng)力曲線圖，從第五顆螺紋牙到第8顆螺紋牙的應(yīng)力趨于平緩，這是因為從第五顆螺紋牙開始，夾具螺紋牙與試樣螺紋牙的接觸面積增大了，均布載荷的位置由齒頂側(cè)偏移到齒根側(cè)，同時均布力大小也減小了，相對于前面幾顆螺紋牙，大大減小了后面四顆螺紋牙的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 夾具和試樣的有限元網(wǎng)格圖圖6 Mises應(yīng)力云圖

夾具螺紋與試樣螺紋這種不合理的螺紋牙接觸形式，造成螺紋牙面的受力不均勻和變形更加復(fù)雜，從而使得螺紋發(fā)生粘扣失效的問題更加突出。在高頻疲勞振動下，前幾顆螺紋牙因局部受力過載會導致局部溫度過高，螺紋牙的材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。在同一應(yīng)力級差試驗下，螺紋拆卸4或5次后便發(fā)生粘扣失效或者斷裂現(xiàn)象。這一現(xiàn)象解釋并驗證了試樣壽命存在較大的分散性，特別在高周疲勞階段。

圖7 螺紋牙根部的最大Mises應(yīng)力圖

4 結(jié) 論

(1)通過ABAQUS對試樣螺紋和夾具螺紋進行分析可知，由于夾具螺紋中心孔存在1.7°傾斜角的加工誤差，使得螺紋副間的載荷分布不均勻，導致：①加劇了夾具螺紋前幾顆螺紋牙根部應(yīng)力集中現(xiàn)象。②使前幾顆螺紋牙局部接觸溫度過高從而導致螺紋牙材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。以上兩個原因?qū)е侣菁y拆卸4或5次后便發(fā)生了斷裂，影響了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

(2)有限元分析的結(jié)果也進一步驗證了直線擬合條件不成立的結(jié)論，試樣疲勞壽命分布的分散性較大，高周疲勞階段更為明顯。

(3)螺紋聯(lián)接的可靠性對于高頻疲勞振動試驗至關(guān)重要， 螺紋牙應(yīng)力分布不均勻、螺紋牙根部應(yīng)力集中斷裂、螺紋粘扣等失效形式都是影響螺紋聯(lián)接可靠性的重要因素。

針對本文螺紋牙的失效，提出幾種緩減螺紋牙應(yīng)力集中和黏扣失效的方法：①可以對夾具螺紋表面進行鍍層來改善螺紋黏扣現(xiàn)象；②增大夾具螺紋牙根部圓角半徑可較大程度的緩減應(yīng)力集中的影響。

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Failure Analysis of the Fatigue Testing Clamp Thread Based on ABAQUS

CHENRong-hua1,CUIJing-wei1,NINGZuo-qing2,SHIHong-jian3

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China;2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China;3.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The thread hole on the clamp pressure plate of high frequency fatigue tester has certain eccentric error in the processing, and will affect the connection strength of clamp thread in the fatigue test and the reliability of the fatigue test data. Fatigue test of 20MnTiB bar by group method was carried out, the data obtained were dotted on the single logarithmic coordinate axis, through calculating the value of correlation coefficient r, these data did not meet the conditions ofS-Ncurve fitting, namely the group data discreteness was larger. Finite element analysis of failure clamp thread was did based on ABAQUS. Stress analysis was carried out on the failure of the thread by finite element model established. Analysis showed that the major cause was eccentric error of clamp thread hole which made the local screw tooth of clamp thread under high stress, the error led to plastic deformation, the result confirmed the test data from larger discreteness and provided certain experience for fatigue test clamp design and protection.

fatigue test; clamp thread; ABAQUS; fatigue life curve; failure of screw tooth

2015-01-30

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2012AA040104)資助

陳榮華(1989-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，研究方向：機械系統(tǒng)可靠性設(shè)計。

崔敬巍(1976-)，女，遼寧新民人，副教授，主要從事機械系統(tǒng)可靠性設(shè)計的研究。

Tel.:13066619719；E-mail:cuijingwei1976@126.com

TG 751.9;TH 114

A

1006-7167(2015)11-0022-04