中国直升机设计研究所 景德镇 300030
摘要：研究了两种材料的大间隙受剪螺栓的疲劳性能，根据螺栓承载特性设计了疲劳试验，获取了其高周疲劳特性，并采用有限元计算和工程计算方法分析了其疲劳应力，证明有限元方法有更高精度，但工程计算方法也可以偏保守使用。
关键词：螺栓，大间隙受剪，疲劳特性
0 引言
螺栓连接是飞机结构中一种重要的连接形式，广泛用于机身对接、起落架连接、平尾连接等处 [1]。由于其通常传递较大载荷，螺栓连接部位的疲劳寿命受到较大关注。张红兵等采用有限元法对螺栓联接进行抗疲劳设计[2]，龙凯等采用Schmidt-Neuper算法对受拉螺栓的疲劳强度进行了研究[3]，谭盾等采用试验和分析方法研究了TC16钛合金螺栓的疲劳行为[4]。
上述研究主要集中在受拉或小间隙受剪螺栓，对于大间隙受剪螺栓承受剪切载荷下的疲劳性能研究相对较少。本文针对两种材料的大间隙受剪螺栓，设计了相应的疲劳试验并获取了疲劳特性，同时采用有限元和工程计算方法分别计算了疲劳特征载荷下对应的疲劳应力。
1 试验
1.1 试验设计
试验主要考核大间隙螺栓承受剪切载荷下疲劳性能，试验设计如图1所示。其中夹具及弹性体模拟件为钢，螺栓直径D=17mm，有两种材料，分别为300M钢及40CrNiMnA。
图12 300M钢螺栓无擦蚀疲劳极限对比
由上述对比结果，可得到下述结论：
1）对40CrNiMnA螺栓，有擦蚀模式下退刀槽应力和材料疲劳极限较为接近，而螺栓头根部应力小于材料疲劳极限；对300M钢螺栓，有擦蚀模式下螺栓头根部应力和材料疲劳极限较为接近，而退刀槽应力小于材料疲劳极限；
2）对有擦蚀模式，工程计算方法获得的疲劳极限应力高于有限元计算结果；且均高于结构疲劳极限。从整体而言，取有限元计算结果的较大值比材料疲劳极限高，但比工程计算方法更加靠近材料疲劳极限；
3）对无擦蚀模式，工程计算方法获得的疲劳极限应力均低于有限元计算结果，且二者均低于材料疲劳极限；这可能是由于试验破坏以有擦蚀为主，试验破坏时无擦蚀疲劳极限未考核充分的缘故。
5 结论
本文设计了大间隙螺栓疲劳试验，并获得了两种钢螺栓在大间隙受剪情况疲劳性能。同时，采用了有限元和工程计算方法计算了其疲劳特性，可以得到下列结论：
1）大间隙受剪螺栓的疲劳破坏位置集中在螺栓头根部和螺纹退刀槽处，且以有擦蚀破坏为主；工程设计时需要关注这两个部位的抗疲劳设计。
2）大间隙受剪螺栓疲劳破坏位置应力状态以受弯为主，说明在较大间隙情况下，弯曲附加应力已经不可忽视。
3）超高强度钢300M螺栓比40CrNiMnA螺栓具有更大疲劳分散性，说明在高周疲劳下超高强度钢表现出较为强烈的分散性。
4）对不同的破坏模式，有限元及工程方法获得的计算结构和试验结果有不同的契合度。即有擦蚀模式下吻合较好而无擦蚀模式下相差较大，这进一步证实了疲劳破坏是有擦蚀为主，无擦蚀模式可能考核未充分。
参考文献
[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001年，644-663.
[2]张红兵，杜建红.用有限元法对螺栓联接进行抗疲劳设计[J].华北工学院学报，1999,20(3)，
[3]龙凯，贾娇等.基于Schmidt-Neuper算法塔筒螺栓疲劳强度研究[J].太阳能学报，2014,24(10)，1904-1909
[4]谭震，刘道新等.TC16钛合金螺栓及其连接30CrMnSiA钢板孔的疲劳行为[J].机械科学与技术，2006,25(7)，767-770
[5]赵少汴.抗疲劳设计-方法和数据[M].机械工业出版社，2015，35-57
[6]穆志韬，曾本银等.直升机结构疲劳[M].国防工业出版社，2009，248-260
[7]史斯佃吴艳霞等.Fatigue life analysis manual[Z].602所技术报告，2009，
论文作者:王召勇1,许名瑞1
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/13
标签：螺栓论文; 疲劳论文; 间隙论文; 应力论文; 极限论文; 有限元论文; 材料论文; 《防护工程》2019年10期论文;