螺栓疲劳寿命计算方法探讨及研究

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1、螺栓疲劳寿命计算方法探讨及研究Discussionandresearchofthecalculationmethodforthefatiguelifeofthebolt翟新康ZHAIXin-kang（中航工业一飞院，西安710089）摘要：螺栓作为飞机结构中最重要的传载连接件，其静强度性能已经引起了人们的高度关注，然而由于螺栓为标准件，因而对其疲劳性能重视程度不够。通常对螺栓疲劳寿命计算，也只分析其拉应力对寿命产生的贡献，而忽略其剪切应力对疲劳寿命的影响，这样可能会得到螺栓寿命偏危险的设计结论。介绍了螺栓的受载特点及破坏型式，

2、研究了螺栓应力集中系数的确定方法，通过引入螺栓当量拉应力概念，对螺栓疲劳寿命计算中参考应力的选取方法进行了改进，给出了名义应力法及DFR方法计算螺栓疲劳寿命的一般步骤，最后总结了影响螺栓疲劳寿命的因素，提出了改善螺栓疲劳性能的常见方法。关键词：螺栓；疲劳寿命；应力集中；名义应力法；疲劳细节额定值中图分类号：O346.1文献标识码：A文章编号：1009-0134(2016)01-0089-030引言飞机结构由上万个零件通过紧固件（螺栓或者铆钉）连接而成，而连接这些零件的紧固件则有几十万个。显然，螺栓的疲劳性能将直接影响飞机的安全

3、。这些螺栓在交变应力的反复作用下，螺纹的受力状态发生变化，使得每圈螺纹上的载荷分布不均匀，螺纹之间相互咬合力加剧，易造成底孔螺纹磨损或破坏，或者导致螺栓೒Ё˖ୂড়䴶໘㶎ሒ໘根部断裂。因而，螺栓的疲劳寿命应引起足够重视。ܝᴚ໘⸈ണ䚼ԡ໘1螺栓的破坏部位图1受拉螺栓的常见破坏部位根据螺栓的主要受力状态不同，螺栓可分为受拉螺栓、受剪螺栓、拉剪复合螺栓。对螺栓进行疲劳寿命分析时，如果不考虑剪切载荷对螺螺栓在静力作用下，受拉螺栓的破坏部位在螺栓最栓疲劳寿命的影响，将会得到螺栓偏危险的设计。小横截面处。受剪螺栓在纯剪载荷作用下，破坏部位通

4、按照强度理论，对于受剪螺栓，可以把剪切应力转常在剪切分离面处和挤压支承面处；受剪螺栓在纯弯、化成当量拉应力，即，σ为螺栓拉应剪载荷作用下，破坏部位还可能在最大复合应力部位。力，τ为螺栓剪切应力。这样，通过当量拉应力修正，螺栓连接在交变载荷作用下，受拉螺栓的常见破把对螺栓疲劳寿命有影响的剪切应力综合进行了考虑。坏部位如图1所示。受剪螺栓伴随有附加弯曲的受载情况，破坏部位和受拉螺栓的破坏部位相似，有时还可能3螺栓应力集中系数及疲劳寿命计算在剪切分离面处破坏。在应力水平一定的情况下，螺栓的寿命主要取决于2螺栓当量拉应力螺母和螺栓啮合

5、面处、螺尾处和r处应力集中的大小。3.1应力集中系数定义通常情况下，在对螺栓疲劳寿命计算时，只计算拉应力产生的影响，而忽略其剪切应力对疲劳寿命引起的螺栓应力集中系数定于如下：影响。然而在飞机结构中，螺栓受力比较复杂，通常除啮合面处螺纹根部：Ktln=σmax/σRmin，式中，σmax了承受轴向载荷，也会承受部分剪切载荷作用。因此在为啮合面处螺纹根部最大局部拉应力；σRmin为螺纹根收稿日期：2015-11-07作者简介：翟新康（1977-），男，陕西洋县人，高级工程师，硕士，研究方向为飞机结构强度、疲劳与损伤容限设计与试验。

6、第38卷 第1期 2016-01 【89】部截面名义应力。各个波峰、波谷下螺栓的拉应力σ及剪切应力τ。六角头部r处：，式中，σrmax为r处的σ4F=，F是螺栓承受的轴向载荷，D是螺栓的直π2最大局部拉应力；为光杆处截面名义应力。D螺尾处螺纹根部：，式中，σwmax4Q径；τ=，Q是螺栓承受的剪切载荷，D是螺栓2为螺尾处螺纹根部最大局部拉应力。πD螺桩型连接啮合面处螺纹根部：K=σσ，的直径。确定螺栓在飞机载荷谱中各个波峰、波谷下的tlzhzhmax/Rmin式中，σzhmax为啮合面处螺纹根部最大局部拉应力。当量拉应力σ：σ

7、22σ为螺栓拉reqreq=σ+3τ，其中，3.2应力集中系数确定应力，τ为螺栓剪切应力。查询螺栓应力集中系数对应对于一般的机加螺栓和螺母连接，应力集中系数可的S-N曲线，计算出各级载荷下应力水平对应的损伤。查表1，对于滚后淬螺栓，也可根据螺纹根部圆角半径最后利用线性累积损伤理论估算螺栓的寿命。Rmin查表来确定。表1一般的机加螺栓应力集中系数4受拉螺栓DFR许用值及疲劳寿命计算螺纹形式螺尾处Ktlw螺纹根部圆角半径RminKt在实际工程应用中，螺栓螺纹局部应力状态往往难0.036.0以准确估算，螺栓几种应力集中系数不易确定，

8、工程人0.054.8员往往偏向用DFR方法进行疲劳寿命计算。0.083.90.103.44.1DFR许用值统一粗造螺纹或0.133.1受拉螺栓螺纹滚制阳螺纹的DFR许用值见表2[4]。2.4统一精制螺纹0.152.8表中数据根据螺纹根部净截面拉伸应力得到。一般情况0.172.