如何計算和校核螺紋連接的疲勞強(qiáng)度

來源：發(fā)布時間：2025-07-05

螺紋連接疲勞強(qiáng)度計算與校核指南

一、中心計算流程

1. 材料疲勞特性獲取

S-N曲線測定：

標(biāo)準(zhǔn)方法：依據(jù)ISO 12106-2017（軸向應(yīng)變控制法）或GB/T 3075-2020（軸向力控制法）進(jìn)行疲勞試驗，繪制應(yīng)力幅（Δσ）與疲勞壽命（N）的S-N曲線。
案例數(shù)據(jù)：930 MPa級gaoqiang冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋的S-N曲線顯示，其疲勞性能接近GB 50017—2017中的Z11曲線，平均應(yīng)力700 MPa時循環(huán)次數(shù)達(dá)10?次。

疲勞極限確定：

升降法：通過多組應(yīng)力水平試驗，確定5×10?次循環(huán)不失效的應(yīng)力水平作為條件疲勞極限。

2. 應(yīng)力計算與分析

應(yīng)力幅值（Δσ）：

Δ σ = A F max ? F min

其中，$F_{\text{max}}$ 和 $F_{\text{min}}$ 為至大和至小軸向力，$A$ 為螺紋應(yīng)力面積（如M20螺栓，$A \approx 168.08 \, \text{mm}^2$）。

平均應(yīng)力（σ?）：

σ m = 2 A F max + F min

綜合應(yīng)力修正：

彎曲應(yīng)力：螺紋根部圓角半徑小會導(dǎo)致應(yīng)力集中，如平直牙底螺栓疲勞強(qiáng)度比圓弧牙底低26%。
剪切應(yīng)力：考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力衰減系數(shù)（VDI 2230中kτ通常取0.5）。

3. 修正系數(shù)應(yīng)用

表面處理系數(shù)：

滾壓螺紋可降低表面粗糙度（Ra從0.63~1.35降至0.08~0.16時，疲勞強(qiáng)度提升33%）。

尺寸系數(shù)：

大直徑螺栓（如75mm）因材料不均勻，需調(diào)整S-N曲線，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)1.74。

應(yīng)力集中系數(shù)：

螺紋根部圓角半徑建議不小于0.1mm（如CD螺栓設(shè)計）。

4. 許用強(qiáng)度校核

安全系數(shù)法：

[Δ σ] = S Δ σ material

其中，安全系數(shù)$S$通常取1.5~2.5（汽車行業(yè)靜態(tài)載荷取1.2，交變載荷取1.8）。

損傷累積理論：

Miner準(zhǔn)則：

\sum N i n i \leq 1

其中，$n_i$為實際循環(huán)數(shù)，$N_i$為對應(yīng)應(yīng)力水平的疲勞壽命。

5. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與案例驗證

汽車行業(yè)：

GB/T 13682：軸向載荷疲勞試驗，關(guān)鍵螺栓需考慮表面粗糙度（Ra≤0.16）和熱處理工藝（如調(diào)質(zhì)處理）。
案例：M20螺栓在軸向拉力40kN下，σ=56.8MPa < σs=450MPa，滿足強(qiáng)度要求，但需校核疲勞應(yīng)力幅是否低于許用值。

航空航天：

ASME NB-3232.3：gaoqiang度螺栓使用設(shè)計疲勞曲線，彈性模量影響需乘以修正系數(shù)。
案例：鈦合金螺栓在150℃以上需降額使用，許用應(yīng)力幅降低20%。

二、關(guān)鍵參數(shù)與公式

參數(shù)	公式/數(shù)據(jù)	應(yīng)用場景
螺紋應(yīng)力面積（A）	A=4πd12（d1為螺紋小徑）	M20螺栓：A≈168.08mm2
應(yīng)力幅（Δσ）	Δσ=AFmax?Fmin	交變載荷下疲勞壽命計算
安全系數(shù)（S）	靜態(tài)載荷：S≥1.2；交變載荷：S≥1.8（汽車行業(yè)）	抗滑移安全余量校核
應(yīng)力集中系數(shù)（Kt）	螺紋根部圓角半徑小，Kt≈1.74（大直徑鋼筋）	修正S-N曲線

三、工程實踐建議

材料選擇：

gaoqiang度合金鋼（如40CrNiMo）優(yōu)先，疲勞極限可達(dá)360MPa。
鋁合金螺栓在高溫環(huán)境下需降額使用（如150℃以上許用應(yīng)力降20%）。

工藝優(yōu)化：

滾壓螺紋：熱處理后滾壓可消除加工硬化，但需平衡模具壽命與質(zhì)量。
表面處理：鍍鋅或滲碳提高表面硬度，降低腐蝕疲勞風(fēng)險。

監(jiān)測與維護(hù)：

定期檢測：使用超聲波或再擰緊法檢測殘余扭矩，數(shù)據(jù)上傳至MES系統(tǒng)分析趨勢。
環(huán)境控制：高溫場景安裝隔熱罩，維持連接區(qū)域溫度≤150℃。

標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)：

汽車行業(yè)：遵循GB/T 13682，確保關(guān)鍵螺栓疲勞壽命≥5×10?次。
航空航天：按ASME NB-3232.3使用設(shè)計疲勞曲線，彈性模量修正后校核循環(huán)次數(shù)。

四、總結(jié)

螺紋連接疲勞強(qiáng)度校核需系統(tǒng)化結(jié)合材料數(shù)據(jù)、精確應(yīng)力計算、修正系數(shù)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過S-N曲線確定材料能力，利用安全系數(shù)或損傷理論評估設(shè)計可靠性，并參考汽車、航空等領(lǐng)域的具體規(guī)范確保符合工程要求。至終目標(biāo)為實現(xiàn)無限壽命設(shè)計（應(yīng)力幅<疲勞極限）或有限壽命設(shè)計（損傷累積<1），保障連接可靠性。

標(biāo)簽：校核螺紋連接的疲勞強(qiáng)度螺紋連接上海錦瑞

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