螺纹断裂问题的分析及结构优化

宰守香

（河南机电职业学院，河南 郑州 451191）

螺纹断裂问题的分析及结构优化

宰守香

（河南机电职业学院，河南 郑州 451191）

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。

螺栓；断裂；有限元；悬置螺母

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）。

图1 螺栓法兰箱应用实例

图2 高强螺栓断裂实照

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：①设计本身的螺纹联接强度没有满足荷载要求；②螺栓选择的材质没有满足荷载要求；③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；④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；⑤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。

2 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：①降低影响螺栓疲劳强度的应力幅；②改善螺纹牙上载荷分布不均的现象；③减小应力集中的影响；④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。

3 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。

4 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：

对于螺母，Δ=（N×P）/（E1×A1）

对于螺杆，Δ=（N×P)/（E2×A2）

其中，Δ为螺距伸长量；N为螺纹受载；P为螺距；E1、E2为螺母及螺杆的材料弹性模量；A1、A2为螺母及螺杆的螺纹区间截面净面积。

因为螺母与螺杆对应螺纹牙处螺距伸长量Δ协调一致，则有E1×A1=E2×A2；因为螺母与螺杆材料均为钢材，弹性模量基本相同，则有A1=A2，即螺母与螺杆的螺纹区段截面净面积相等。

据此可查相关表格得到不同直径、不同螺距的螺杆外螺纹的小径d及相应内螺纹的大径D，从而求出悬置螺母悬置段外径Dw：=（d2+D2）0.5。

以上推导中取螺杆及螺母的材料弹性模量相等，并忽略了螺纹牙的面积及螺纹牙受载变形的影响。

5 有限元模型分析比较

为了能够更加明确地比较普通螺母连接与悬置螺母连接二者之间的差别，本文针对某大吨位螺杆，建立有限元实体模型进行计算分析。模型参数为：材料均为40CrNiMo合金钢，调质处理，弹性模量190GPa，泊松比0.26，抗剪模量78GPa；螺纹为Tr140×14，外螺纹大径142mm，内螺纹小径124mm，螺纹共7圈；悬置段螺母外径185mm，螺杆旋入端外楞倒角5mm×30mm，支承段螺母外径240mm，支撑段厚度50mm；普通螺母外径210mm，螺杆光杆部分直径124mm；承载2 500kN。模型及计算结果分析如下。

5.1 普通螺母连接方式及计算结果

普通螺母连接方式及计算结果见图3。网格类型为实体网格，单元大小为18.014 3mm，公差为0.900 716mm，节总数为26 369，单元总数为17 359。

螺杆螺纹旋入端第一圈的受载为本方式下第二圈的1.57倍，第三圈的2.25倍，第四圈的3.04倍，第五圈的4.01倍，第六圈的4.88倍，第七圈的4.97倍，约为平均载荷的2.28倍，普通螺母各圈螺纹牙载荷分布不均匀明显。较明显的受载规律为螺杆螺纹旋入端螺纹受载较大，以后依次递减，荷载变化的趋势是前三圈减少趋势较陡，至第六圈、第七圈时变化趋缓。螺纹旋入端第一圈螺纹牙承受全部荷载的约32.6%，与已有研究一致［1-2］。

5.2 悬置螺母连接方式及计算结果

悬置螺母连接方式及计算结果见图4。网格类型为实体网格，单元大小为18.759 7mm，公差为0.937 986mm，节总数为26 041，单元总数为16 700。

从网格情况可知，前后两次计算方式、方法一致，网格、单元亦同，故两者对比数据有很好的可参考性。

螺杆螺纹旋出端第一圈的受载为本方式下第二圈的1.18倍，第三圈的1.19倍，第四圈的1.23倍，第五圈的1.26倍，第六圈的1.17倍，第七圈的1.02倍，约为平均载荷的1.14倍，悬置螺母的均载效果良好，各圈螺纹受载趋于均匀。应力集中被大大降低（见表1），从而证实了本文对螺纹断裂原因的分析的正确性，以及所采取措施的合理性。

图3 普通螺母、螺纹之模型、网格划分及受载后von Mises应力图

图4 悬置螺母、螺纹之模型、网格划分及受载后von Mises应力图

表1 螺杆各圈螺纹分配荷载统计比较表

通过对有限元模型计算结果的分析比较可知，悬置螺母方式螺杆螺纹根部最大应力值约为普通螺母方式螺杆螺纹螺纹根部的最大应力值的54.5%，有效地降低了螺纹根部的应力，有效地解决了螺纹根部的应力集中问题，提高了螺纹连接的可靠性。

6 结论

经过理论分析及三维有限元计算，发现在螺纹设计中采用悬置螺母构造可使得各圈螺纹均匀受载，有效降低螺杆螺纹根部的应力峰值，提高螺纹联接的承载能力，从而在设计阶段保证了螺纹的承载安全性。

此外，建议在设计过程中避免螺栓受弯，并尽量采用合理的制造加工工艺，如采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，可以显著提高螺栓的疲劳强度，并保证连接副的安全及整个结构的安全。

［1］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.7版.北京：高等教育出版社，2001.

［2］刘鹄然，胡庆夕.悬置螺母的最佳轴截面曲线［J］.机械，1997（5）：30-31.

［3］刘昌奎.30CrMnSiA螺栓断裂原因分析［J］.失效分析与预防，2008（2）：42-47.

［4］张永杰，孙秦.带预紧力受剪螺栓连接刚度分析［J］.强度与环境，2007（4）：22-25.

［5］张崧，谢黎奎.钢结构工程高强螺栓施工技术控制措施［A］//河南省建筑行业优秀论文集［C］.郑州：河南人民出版社，2007.

［6］刘雷，李培耀.高强度螺栓材料的研究现状与趋势［J］.上海工程技术大学学报，2010（2）：173-179.

Analysis and Structural Optimization of Thread Fracture

Zai Shouxiang
（Henan Mechanical and Electrical Vocational College，Zhengzhou Henan 451191）

As one of the most widely used steel structure connection mode,the reliability of bolt connection is critical to the overall reliability of structures.In this paper,through the study of the fracture phenomenon of various kinds of bolts in use,the general cause of fracture of large tonnage screw rod was found by means of 3D finite element calculation and theoretical analysis,and an effective method to solve this problem was given,which provide a theoretical basis for design and further optimization of bolt connection.It has important guiding significance for improving the safety of various bolted connections.

bolt；fracture；finite element；suspension nut

U279.3

A

1003-5168（2017）07-0066-03

2017-06-19

宰守香（1966-），女，副教授，研究方向：车辆工程，机械制造及其自动化，自动控制等领域。