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螺纹断裂问题的分析及结构优化摘要：螺栓连接作为一种应用最为广泛的钢结构连接方式，其自身的可靠性对结构的整体可靠性影响极大。本文通过对各类螺栓在使用过程中发生断裂现象的研究，利用三维有限元计算及理论分析，找到大吨位螺杆断裂的一般性原因，并给出解决此问题的有效方法，为螺栓连接的设计及进一步优化提供理论依据，对提高各类螺栓连接的安全性有重要的指导意义。关键词：螺栓；断裂；有限元；悬置螺母中图分类号：u279.3文献标识码：a文章编号：1003-5168（2017）07-0066-03abstract：asoneofthemostwidelyusedsteelstructureconnectionmode，thereliabilityofboltconnectioniscriticaltotheoverallreliabilityofstructures.inthispaper，throughthestudyofthefracturephenomenonofvariouskindsofboltsinuse，thegeneralcauseoffractureoflargetonnagescrewrodwasfoundbymeansof3dfiniteelementcalculationandtheoreticalanalysis，andaneffectivemethodtosolvethisproblemwasgiven，whichprovideatheoreticalbasisfordesignandfurtheroptimizationofboltconnection.ithasimportantguidingsignificanceforimprovingthesafetyofvariousboltedconnections.keywords：bolt；fracture；finiteelement；suspensionnut螺栓连接作为一种应用最为广泛的钢结构连接方式，其自身的可靠性对结构的整体可靠性影响极大1-3。尤其是大吨位钢结构连接螺栓，由于螺栓群数量巨大，安装拆除过程繁琐，现在越来越多的结构采用了大直径的螺栓（直径在60mm以上）法兰箱连接，以减少人工操作时间4。类似图1结构中螺栓数量少，对单个螺栓的可靠性要求更高，虽然在设计制造过程中充分考虑了安全系数、热加工工艺等，但在工程实践中螺栓仍常在螺纹处发生断裂（见图2）。1 螺杆断裂的原因通常情况下，影响螺栓强度的因素主要涉及螺纹牙的载荷分配、应力变化幅度、应力集中、附加应力、材料的机械性能和制造工艺等，使用过程中螺杆可能发生断裂的原因主要有以下几种：设计本身的螺纹联接强度没有满足荷载要求；螺栓选择的材质没有满足荷载要求；螺栓加工过程中热处理工艺、方法或热处理结果没有满足要求，降低了螺纹联接的机械性能；螺纹的加工精度没有满足要求，使得内外螺纹贴合不良，导致螺纹受力不利；安装过程中，对各螺栓施加的预应力不足或不均匀导致螺栓承载失败5虽然设计人员对连接的重视程度越来越高，工艺越来越完善，现场操作工具越来先进。但是，螺栓断裂的现象仍然时有发生，说明上述几种情况不是螺栓断裂的一般性原因。从现在国内普遍使用的螺栓连接方式来看，螺母均为普通螺母，而普通螺母握持螺纹传力时，螺母端部支承。理论上，螺杆、螺母都是绝对的刚体，只要螺纹牙的几何形状及装配足够精确，载荷将沿着螺纹牙均匀分布。但是，实际上，绝对的刚体是不存在的，螺杆、螺母的材料在受载后会发生弹性变形。此时螺母受压，螺纹的螺距减小；而螺杆受拉，螺纹的螺距增大。因为螺母与螺杆的变形性质不同，导致各圈螺纹上的受力不同。又因为螺母靠近支承断面的螺纹螺距压缩量最大，而螺杆旋入端的螺纹螺距的伸长量为最大。螺纹螺距的变化差以该圈处为最大，使得该圈螺纹受力最大。试验证明，约有1/3的载荷集中在第一圈螺纹牙上，而第八圈以后的螺纹牙几乎不承受荷载。如此大的荷载导致螺杆旋入端的螺纹根部应力超限，低周期应力循环后可能使得该圈螺纹根部产生裂纹，最终导致螺杆于此处断裂。设计阶段的解决方法为了确保螺杆螺纹旋合段第一圈螺纹根部疲劳应力不超限，在设计阶段应考虑采取如下方法：降低影响螺栓疲劳强度的应力幅；改善螺纹牙上载荷分布不均的现象；减小应力集中的影响；采用合理的制造工艺方法6。从螺杆断裂原因及几项解决方法综合考虑可知，选择均载螺母以使得各圈螺纹受力均匀，应当是较为有效、安全、经济的解决办法。悬置螺母与环槽螺母、内斜螺母等均载螺母结构形式相互比较而言，悬置螺母的载荷均布效果最好，本文利用实体有限元对其进行验证。悬置螺母工作原理悬置螺母的支承端为螺杆的旋出端，使得螺母的螺纹区段与螺杆的受力变形性质一致，均为受拉变形。如果能够使得螺母的螺纹区段变形与螺杆螺纹区段变形完全一致，则应保证旋合段螺纹牙传力均匀。2 悬置螺母轴向截面的选择因为螺母的每圈螺纹牙受载与螺杆对应螺纹牙受载大小相等，方向相反。为了保证螺纹牙受载一致，以一个螺距为例做如下推导：