东方风力发电网ANSYS Workbench Environment下高强螺栓过拧状态疲劳强度分析...

0 引言 

    钢结构工程中，高强螺栓作为广泛使用的紧固连接件， 对构件安全和结构整体安全起着重要作用。高强螺栓通过 拧紧作用产生预紧力，在螺栓内形成轴向拉应力，统计表明 约 90%的螺栓失效与拉应力作用下的疲劳失效有关，其中 相当一部分螺栓处于过拧状态， 因此分析过拧状态下螺栓 疲劳失效机理， 对于工程事故预防和施工安全决策有着重 要的意义。1 基于古德曼准则的螺栓连接疲劳强度安全系数计算 钢结构工程中， 螺栓承受的动荷载大多可以等效为周 期性循环应力（如吊车动荷载，轮机设备动荷载等），故根据 古德曼准则确定在持久状态下达到极限疲劳时的强度曲 线，曲线方程如式（1）：

其中：

Sa —基于古德曼准则持久极限疲劳强度曲线上任意 一点对应的交变应力； 

Sm—基于古德曼准则持久极限疲劳强度曲线上任意一 点对应的平均应力；

Su—材料的抗拉强度值； 

Se—连接件的综合疲劳极限强度值。 

    零件在持久极限疲劳状态下强度安全系数的计算和应 力加载路径有关。通过对比例加载，零件在持久极限疲劳状 态下强度设计安全系数可以运用持久极限疲劳强度曲线上 的应力幅度 Sa 和实际应力幅度 σa 的比值来定义。 

    螺栓连接件在循环外力状态持续作用下， 若已知外力 P 及预紧力 Fi， 则能计算出， 螺栓通过外力 P 作用的交变 应力幅度和平均应力 σm。可由计算公式（2）来运算螺栓内 的交变应力幅值：

    通常情况下，在实际加载过程螺杆和联接件之间的有效 刚度均可等效为常数，在给定拉力作用下，外力在 σa-σm 图 上的变化为线性。螺栓连接在持续受力状态下的疲劳强度安 全系数则由 nf =Sa/σa 定义，可通过公式（4）来运算：

    高强螺栓施工中，通过对螺母的施拧产生预紧力。钢结 构在服役过程中， 一定时间内承受的动荷载呈周期性循环 状，即交变应力不变。预紧力增大（过拧），会导致平均应力 变大。故通过公式（4）运算得出的螺栓连接的疲劳强度安全 系数变小，即降低了螺栓连接的安全性。

2 基于 ANSYS Workbench Environment 的高强螺栓过 拧状态下疲劳强度分析 

    第 1 节理论推导了过拧状态对螺栓疲劳强度的影响， 本节以某大型钢结构体育馆型钢混凝土柱基高强螺栓群为 对象，通过 ANSYS Workbench Environment（AWE）对其过拧 状态下的疲劳强度进行数值模拟， 定量分析并验证上述理 论推导结果。 

    柱基高强度螺栓群整体几何模型详见图 1。

2.1 材料参数 

    型钢：Q345 钢。材料力学参量为：材料密度 ρ=7.85 t/m3 ，弹 性模量 E=2×105 MPa，泊松比 υ=0.3。螺栓：合金钢。材料力学参量为：材料密度 ρ=7.85 t/m3 ，弹 性模量 E=2×105 MPa， 泊松比 υ=0.3。疲劳特性参数如表 1 所示，S-N 曲线如图 2 所示。 

2.2 工况 

    根据螺栓规格， 分别按照设计值和 1.4 倍设计值施加 扭矩，在螺杆内产生设计预紧力 P 和 1.4 倍设计预紧力。在施加预紧力同时在螺栓处施加 4 g 的循环冲击荷 载，模拟重级工作制重钢吊车的满载制动效应。

    通过 ANSYS Workbench Environment（AWE）在 Fatigue Tool 在循环荷载作用下分别计算螺栓在 2 种预紧力水平下 （P，1.4 P）的应力分布，并依据古德曼疲劳准则分别计算螺 栓连接疲劳强度安全系数。 

2.3 螺栓有限元分析 

2.3.1 几何模型 

    螺栓群为 32 个 M24 螺栓等间距环绕， 设计预紧力为 16 kN 。考虑到螺栓排列的极对称性， 使用 ANSYS Workbench Environment (AWE)13.0 多物理场协同 CAE 仿 真软 件，对结构的 1/32 进行建模。如图 3。

2.3.2 有限元实体模型 

    依据上述螺栓连接建模后的几何模型， 建立螺栓连接 的有限元模型。对有限元实体模型进行 20 节点的 186 单元 形式的单元网格划分，网格划分运用以扫掠为主的方法，取 得较为理想的以六面体为主的有限元网格， 同时在关键部 位区域进行局部加密。结果详见图 4 所示。

2.3.3 载荷与约束 

    根据螺栓连接结构的对称性， 将对称约束施加在结构 的对称面上。螺栓顶部施加全约束模拟施拧。螺栓与上下拼 接板之间施加分别定义为绑定接触单元， 在预紧力模拟作 用下，螺栓与这 2 个部件之间的紧密连接；拼接板间定义为 粗糙接触单元，使 2 部件之间不承受拉力，使得工况下都有 螺栓来承担所有的拉力。载荷与约束如图 5 所示。

2.3.4 有限元应力分析结果（设计预紧力下） 

    为了模拟在循环荷载及预紧力作用下的螺栓承载能 力，用二个载荷步进行计算。在载荷步 1 中，对螺栓施加预 紧力 16 kN；载荷步 2 中：锁定载荷步 1 施加的螺栓预紧 力，并施加循环冲击荷载值 4 g 加速度。 

2.3.4.1 加载 

（1）荷载步 1：预紧力 

    在预紧力 16 kN 作用下的 M24 高强螺栓，运用第三强 度理论计算值计算螺栓连接部件的整体应力云图， 如图 6 （a）、（b）所示。得出螺栓的最大应力值为 88.321 MPa，出现 在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图 6（c）、（d）。 

（2）荷载步 2：预紧力+工作载荷 

    在 16 kN 预紧力作用基础上，对 M24 高强螺栓施加相 应 4 g 加速度循环冲击荷载。运用第 3 强度理论计算值计 算螺栓连接部件的整体应力云图，如图 7（a）、（b）所示。得 出螺栓的最大应力值为 208.02 MPa， 出现在螺柱与螺帽连 接的圆角部位，如图 7（c）、（d）。

2.3.4.2 M24 螺栓疲劳校核分析结果 

    通过以上计算分析可得出结论， 螺栓在受交变载荷的 作用下， 螺栓的最大应力在 88.321 MPa~208.02 MPa 之间 交替变化，M24 螺栓的应力比如下：

    螺栓在受交变载荷的作用下， 螺栓连接部件整体的等 效交变应力，即疲劳应力幅如图 8（a）所示。体现在螺柱和 螺帽连接部位区域，螺栓的最大应力幅值为 54.546 MPa，如 图 8（b）所示。 

    M24 螺栓的整体疲劳寿命（Life）如图 8（c）所示。体现 在疲劳作用状态下，螺栓不断受力直至失效的循环次数。由 图可知，螺栓的整体疲劳寿命，就是 S-N 曲线的最大循环 次数 1e6，达到无限寿命。

    M24 螺栓的整体疲劳安全系数 （Safety Factor） 如图 8 （d）所示。由图可知，螺栓的整体疲劳安全系数 2.53~15，疲 劳安全系数最小值为 2.53，出现在螺栓与螺帽的连接部位。

2.3.5 有限元应力分析结果（设计预紧力下） 

2.3.5.1 加载 

（1）荷载步 1：预紧力（1.4×26=22.4 kN） 22.4 kN 的预紧力作用下，以第三强度理论计算值计算 螺栓整体应力云图如图 9（a）、（b）所示。螺栓最大应力值为 107.04 MPa， 出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位， 如图 9 （c）、（d）。

（2）荷载步 2：工作载荷+预紧力 

    螺栓在预紧力 22.4 kN 的作用基础上，施加 4 g 加速度 的循环冲击荷载。螺栓整体应力图如图 10。 

    如图 10（a）、（b）所示。螺栓的最大应力值为 241.81 MPa， 出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图 10（c）、（d）。在受 循环冲击载荷 状 态 下， 螺 栓 的 最大 应 力 在 107.04 MPa~ 241.81 MPa 之间交替变化，M24 螺栓的应力比计算如下：

2.3.5.2 M24 螺栓疲劳校核分析结果

    由上述分析可知，在循环冲击载荷作用下，螺栓的最大 应力在 107.04 MPa~241.81 MPa 之间交替变化，M24 螺栓 的应力比为 0.443。 

    通过古德曼疲劳准则计算的螺栓的整体疲劳安全系数 0.78~8.55，疲劳安全系数最小值为 0.78，出现在螺栓与螺帽 的连接部位（图 11）。

3 结果汇总及分析 

    第 2 节中的数值模拟结果验证了古德曼疲劳准则的推 导结果，螺栓在过拧条件下，循环荷载作用使螺栓疲劳安全 系数有所降低， 应力集中部位即螺栓与螺帽的连接部位疲 劳安全系数显著降低。 

    在上述过拧状态下， 各个工况下螺栓的应力均未超出 材料屈服应力，但应力集中部位的疲劳安全系数低于 1，即 疲劳失效已经发生。由此可以得知，螺栓过拧状态对承受动 力荷载结构的影响要远大于承受静力荷载的结构。

4 总结及展望 

    本文通过古德曼疲劳准则分析了高强螺栓预紧力对疲 劳强度的影响， 并得出疲劳安全系数的计算公式。采用 ANSYS Workbench Environment 平台，以某大型钢结构体育 馆型钢混凝土柱基高强螺栓为研究对象， 进行了循环冲击荷载下的数值模拟， 对螺栓在正常施拧及过拧状态下的应力强度及疲劳强度进行了计算和分析对比，结果表明，过拧状态下，螺栓的疲劳强度有所降低，疲劳强度在应力集中部位显著减小，在本文过拧 40%的工况下，应力集中部位出现 了疲劳失效。 

    综上， 本文初步探讨了螺栓过拧状态对疲劳强度的影响，得出了相同过拧工况下，承受动力荷载的结构，其过拧状态造成的安全隐患大于承受静力荷载的结构。在高强螺 栓的施工中， 应注意施工动荷载及结构服役后动荷载对高强螺栓的影响， 加强施工过程控制， 严格按照设计要求施 工，避免过拧现象的发生。