螺栓的疲劳断裂，如何分析和避免

螺栓在振动环境经常出现疲劳断裂，疲劳断裂一般都是螺栓松动轴向力下降后，残余预紧力不够造成的。螺栓的疲劳松弛或者疲劳断裂与交变应力有关， 应力幅是影响预紧螺栓联接副疲劳性能的主要因素之一。

试验结果表明，受轴向模拟载荷的预紧螺栓联接副，在最小应力不变的条件下，应力幅越小，则连接副越不易发生疲劳破坏。今天，江南体育手机版 就从螺纹连接幅受力分析出发，根据螺栓与垫板受力和变形协调图，来分析影响应力幅的因素，找出避免螺栓疲劳的途径，同时给出螺栓应力幅计算和疲劳极限的校核方式。

图1 a）、b）、c）示出了螺栓的三种线弹性受力状态。QP 和 λp 是预紧力时对应的螺栓变形伸长量，λm 为 QP 下的垫板压缩量，F为轴向试验载荷。

当施加F后，螺栓的受力从原来的 QP 增至 Q，对应的变形增量为Δλ，于是螺栓受拉时，原来被压缩的垫板，因螺栓伸长而被放松，其压缩变形量也随之减小到λ'm，此时垫板压缩力由QP减至Q'P，Q'P为残余预紧力。根据材料力学的变形协调条件，垫板压缩变形的减小量 λm -λ'm 应等于Δλ，因而在残余预紧力Q'P下垫板的压缩总量λ'm = λm-Δλ。显然螺栓的受力Q=Q'P+F。

为直观地表达上述分析，图2以几何方式示出了螺栓与垫板的受力和变形协调关系。螺栓拉伸变形由坐标原点OV向右量起，垫板压缩变形由坐标原点Om向左量起。螺栓刚度Cb= tgθV，垫板刚度Cm= tgθm。由图可见下面四个等式成立：

从受力与变形协调关系图中可以看出，当连接副所受的试验载荷在0～F之间变化时，则螺栓的总拉力将在QP～Q之间变化。由（6）式可知，在保持预紧力 QP 不变的条件下，减小螺栓刚度Cb或增大垫板刚度Cm均可达到减小总拉力Q的变化范围的目的。

另外，试验结果表明，适当选用较大的预紧力对螺栓联接副疲劳性能是有利的。由（5）式可知，当QP较大时，可以保证联接副有足够的残余预紧力Q'P。

图3、图4及图5分别示出了单独降低螺栓刚度Cb，单独增大垫板刚度Cm及同时降低Cb，增大Cm和增大QP时，螺栓的载荷变化情况。可见，这些措施均可减小螺栓的应力幅，特别是图5措施下可使应力幅有较大的减小，从而可以提高预紧螺栓联接副抗疲劳破坏的能力。

AS为螺栓的应力面积；σa为螺栓上的交变应力幅。

外部的交变工作载荷，不管是轴向的外载荷还是弯矩，都会让预紧的螺栓产生交变应力变化。上面的公式是理论公式，在实践中的螺栓连接分析中，FSA的获得可依据夹紧方式和受力状况按照VDI 2230的指导进行计算或者通过CAE辅助分析得到。

4.2.2 VDI 2230给出了应力幅计算公式，在交变循环次数ND≥2*104与横截面积相关的江南体育app下载官网苹果版 的疲劳极限参考值：

螺栓先搓丝后热处理的疲劳应力σASV极限用表示：

式中σAS是相对于AS，螺栓疲劳极限的应力幅，根据螺栓的生产工艺过程选择σASV还是σASG，σa根据夹紧方式和受力状况分别代入σa或者σab。σab是偏心夹紧和负载下作用在螺栓上的持续交变应力。

如果仅有几千个交变循环（NZ>104）并且应力幅度大于工作中出现的疲劳极限，可以用下面的两个公式计算这些交变疲劳极限：

螺栓先搓丝后热处理的疲劳应力σAZSV极限用表示：