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摘 要： 螺栓连接是机械设备中最常见的一种连接形式，其广泛应用于航空、钢结构、汽车和冶金设备等机械制造行业中。螺栓能够将两个连接件通过连接的方式连接起来而形成—个整体。因此对螺栓在工作载荷作用下的受力情况进行研究，从而实现提高螺栓安全性、可靠性和延长其使用寿命的目的，能够更好地发挥螺栓连接在机械制造行业的应用。本文针对螺栓疲劳断裂问题进行剖析并提供了运用ANSYS软件对螺栓进行有限元分析的通用流程供设计人员参考，为今后设计出高疲劳强度和高使用寿命的螺栓提供理论基础。
关键词： ANSYS；螺栓螺纹；疲劳断裂
引言
螺栓作为在机械设备制造中有着成本低、批量大、互换性强等诸多优点的标准件，它即易于拆装，又调整方便，而且结构简单，安全性和可靠性相对较高，是机械设备制造中最常见的、最不可或缺的连接件之一。基于以上优点导致螺栓的应用十分普遍。尽管如此，在当下几近成熟的机械生产制造行业中也仍然会出现螺栓断裂、磨损等现象，甚至会引发安全事故造成非常严重的损失。
科学家威尔姆在1980年通过对近200例螺栓失败的原因进行研究，结果是疲劳破坏占比50%以上，因此螺栓的主要失效形式之一就是疲劳失效[1]。随着近些年各类机械设备的技术含量不断提高，螺栓的工作条件也随之不断提高，因此这就要求螺栓能够满足更高的抗疲劳性能。常见的普通螺纹因为螺纹处承受高强度的轴向拉应力，而螺纹根部承载面积小，从而造成了螺纹根部应力集中系数较大，在长时间动载荷作用下工作的螺栓螺纹根部处经常发生疲劳破坏，产生疲劳裂纹，甚至断裂的可能，严重的影响螺栓的强度，这对机械结构和设备运行安全产生了重大的影响。谢里阳等人[2]利用组合结构法和有限元法分析了标准螺栓连接的受力情况，得出螺检连接中各螺纹牙的受力是不均匀的。前三号螺牙所承受的载荷占总载荷的。螺纹牙受力的不均匀性是影响疲劳寿命的一个重要方面，特别是第一号螺纹牙螺纹根部的应力集中是最严重的。基于上述原因，如何缓解螺纹根部应力集中程度，提高螺栓强度，成为了机械设计的一个重要课。
1.螺栓连接的主要参数：
螺栓的头部一般为六角形，而底端有螺纹。螺栓连接的方式是将螺栓套上垫圈，再将一端穿过被连接件上的孔，然后把拧紧螺母，最终将被连接件联接起来。这种连接方式不需要加工螺纹孔，简单便捷，在各种重要设备的紧固连接中获得广泛的应用，对工程构件的可靠性和安全性有着巨大的影响。
在通过螺栓上螺纹的轴线断面上，螺纹的轮廓形状称为螺纹的牙型，包括三角形、锯齿形、方型和梯形等。不同的螺纹牙型有不同的用途。并由不同的代号表示。一般连接用的螺纹为普通三角牙型螺纹，如图1所示。牙型为三角形，牙型角60°。普通螺纹分为粗牙和细牙两种[3]。一般连接都用粗牙螺纹；当螺纹的大径相同时，细牙螺纹的螺距和牙型高度比粗牙小，因此细牙螺纹适用于薄壁零件的连接。
图1中的d称为螺纹的外径，也就是公称直径；d1称为螺纹的内径，常用于螺纹的强度计算；d2称为螺纹的中径，常用于螺纹的几何计算；p称为螺纹的螺距；n表示螺纹的螺旋线数目；S称为螺纹的导程，是沿螺纹上同一条螺旋线旋转一周所移动的轴向距离；ψ称为螺纹升角，其中tanψ=np/πd2；角α称为牙型角，是螺纹牙型在轴向截面内两侧边的夹角；角β称为牙侧角，是螺纹在轴向截面内的牙型侧边与螺纹轴线垂线之间的夹角。
2.有限元分析流程
对螺栓轴向受力进行有限元分析的流程主要包括以下几点 ：1、运用ANSYS软件定义单元类型对螺栓进行建模，建立有限元模型包括定义单元类型、定义材料物性以及定义实常数、创建几何模型等，而几何模型是进行有限元分析的基础，越接近实体模型分析出的结果越接近真实情况。利用ANSYS软件中的经典APDL界面参数化几何建模功能和菜单操作界面的几何建模功能可以进行有限元模型的建立。创建的几何模型主要模拟为以下几种：①梁单元；②杆单元；③具有标准牙型的环状凸缘；④实际尺寸模型。在创建模型时要对模型进行适当的简化和修改来控制模型的规模，并能够真实准确的反映出螺栓的特征，忽略锥度等小特征并进行平面化处理和直线化处理。由于创建的几何模型是轴对称模型，因此可以将单元选项设定为轴对称模型，并采用面-面接觸的方式模拟螺栓与螺母之间力的相互作用。对螺栓和螺母的力学性能参数进行定义，设置螺栓和螺母的模量和泊松比。定义材料物性和实常数后采用轴对称模型对螺栓进行模拟，并对螺栓的几何模型进行简化以便对螺栓进行进一步的分析；2、由于研宄的部位是螺纹根部的应力受力情况，因此我们对几何模型进行网格的划分，并根据分析需求采用不同的网格划分方式，对螺栓进行网格的定义与划分，模拟螺纹根部应力集中的情况并进行网络检查，如果出现畸形网格需要对螺纹部分网格进行细化并重新对螺栓进行网格的定义与划分，直到没有畸形网格出现；3、螺栓承受的载荷在实际工作中一般是轴向的拉伸载荷，为对称分布，根据螺栓的实际受力情况和动力学分析，因此需要对几何模型进行约束，在完成约束操作后方可进行分析求解；4、对计算设置初始条件，输入螺纹的公称直径，螺距和螺纹根部弧半径。根据结果对数据进行图表统计处理并进行分析，就可以得出不同螺纹根部的各种指标对螺栓螺纹根部应力的分布情况，以便对螺栓螺纹的结构参数进行优化设计。
结论
螺栓螺纹牙受力的不均匀性是影响疲劳寿命的一个重要因素，本文结合ANSYS软件，为螺栓螺纹轴向受力的有限元分析提供了通用计算流程，为设计人员今后设计出高疲劳强度和高寿命的螺栓提供理论基础。
参考文献
[1]钟友坤.基于ANSYS软件的螺栓螺纹轴向受力有限元分析[J].南方农机，2017，48（22）：4-6.
[2]谢里阳，徐灏.螺栓受力分析的组合结构法及其疲劳寿命估算[J].机械设计，1986（04）：15-20+28.
[3]林晓龙. 高强度螺栓的应力分析及结构疲劳强度优化[D].东北大学，2012.
作者简介：王少华（1970-），男，辽宁省沈阳市人，工程师，主要从事隔膜泵产品设计研发工作，中国有色（沈阳）泵业有限公司技术管理办公室。
关键词： ANSYS；螺栓螺纹；疲劳断裂
引言
螺栓作为在机械设备制造中有着成本低、批量大、互换性强等诸多优点的标准件，它即易于拆装，又调整方便，而且结构简单，安全性和可靠性相对较高，是机械设备制造中最常见的、最不可或缺的连接件之一。基于以上优点导致螺栓的应用十分普遍。尽管如此，在当下几近成熟的机械生产制造行业中也仍然会出现螺栓断裂、磨损等现象，甚至会引发安全事故造成非常严重的损失。
科学家威尔姆在1980年通过对近200例螺栓失败的原因进行研究，结果是疲劳破坏占比50%以上，因此螺栓的主要失效形式之一就是疲劳失效[1]。随着近些年各类机械设备的技术含量不断提高，螺栓的工作条件也随之不断提高，因此这就要求螺栓能够满足更高的抗疲劳性能。常见的普通螺纹因为螺纹处承受高强度的轴向拉应力，而螺纹根部承载面积小，从而造成了螺纹根部应力集中系数较大，在长时间动载荷作用下工作的螺栓螺纹根部处经常发生疲劳破坏，产生疲劳裂纹，甚至断裂的可能，严重的影响螺栓的强度，这对机械结构和设备运行安全产生了重大的影响。谢里阳等人[2]利用组合结构法和有限元法分析了标准螺栓连接的受力情况，得出螺检连接中各螺纹牙的受力是不均匀的。前三号螺牙所承受的载荷占总载荷的。螺纹牙受力的不均匀性是影响疲劳寿命的一个重要方面，特别是第一号螺纹牙螺纹根部的应力集中是最严重的。基于上述原因，如何缓解螺纹根部应力集中程度，提高螺栓强度，成为了机械设计的一个重要课。
1.螺栓连接的主要参数：
螺栓的头部一般为六角形，而底端有螺纹。螺栓连接的方式是将螺栓套上垫圈，再将一端穿过被连接件上的孔，然后把拧紧螺母，最终将被连接件联接起来。这种连接方式不需要加工螺纹孔，简单便捷，在各种重要设备的紧固连接中获得广泛的应用，对工程构件的可靠性和安全性有着巨大的影响。
在通过螺栓上螺纹的轴线断面上，螺纹的轮廓形状称为螺纹的牙型，包括三角形、锯齿形、方型和梯形等。不同的螺纹牙型有不同的用途。并由不同的代号表示。一般连接用的螺纹为普通三角牙型螺纹，如图1所示。牙型为三角形，牙型角60°。普通螺纹分为粗牙和细牙两种[3]。一般连接都用粗牙螺纹；当螺纹的大径相同时，细牙螺纹的螺距和牙型高度比粗牙小，因此细牙螺纹适用于薄壁零件的连接。
图1中的d称为螺纹的外径，也就是公称直径；d1称为螺纹的内径，常用于螺纹的强度计算；d2称为螺纹的中径，常用于螺纹的几何计算；p称为螺纹的螺距；n表示螺纹的螺旋线数目；S称为螺纹的导程，是沿螺纹上同一条螺旋线旋转一周所移动的轴向距离；ψ称为螺纹升角，其中tanψ=np/πd2；角α称为牙型角，是螺纹牙型在轴向截面内两侧边的夹角；角β称为牙侧角，是螺纹在轴向截面内的牙型侧边与螺纹轴线垂线之间的夹角。
2.有限元分析流程
对螺栓轴向受力进行有限元分析的流程主要包括以下几点 ：1、运用ANSYS软件定义单元类型对螺栓进行建模，建立有限元模型包括定义单元类型、定义材料物性以及定义实常数、创建几何模型等，而几何模型是进行有限元分析的基础，越接近实体模型分析出的结果越接近真实情况。利用ANSYS软件中的经典APDL界面参数化几何建模功能和菜单操作界面的几何建模功能可以进行有限元模型的建立。创建的几何模型主要模拟为以下几种：①梁单元；②杆单元；③具有标准牙型的环状凸缘；④实际尺寸模型。在创建模型时要对模型进行适当的简化和修改来控制模型的规模，并能够真实准确的反映出螺栓的特征，忽略锥度等小特征并进行平面化处理和直线化处理。由于创建的几何模型是轴对称模型，因此可以将单元选项设定为轴对称模型，并采用面-面接觸的方式模拟螺栓与螺母之间力的相互作用。对螺栓和螺母的力学性能参数进行定义，设置螺栓和螺母的模量和泊松比。定义材料物性和实常数后采用轴对称模型对螺栓进行模拟，并对螺栓的几何模型进行简化以便对螺栓进行进一步的分析；2、由于研宄的部位是螺纹根部的应力受力情况，因此我们对几何模型进行网格的划分，并根据分析需求采用不同的网格划分方式，对螺栓进行网格的定义与划分，模拟螺纹根部应力集中的情况并进行网络检查，如果出现畸形网格需要对螺纹部分网格进行细化并重新对螺栓进行网格的定义与划分，直到没有畸形网格出现；3、螺栓承受的载荷在实际工作中一般是轴向的拉伸载荷，为对称分布，根据螺栓的实际受力情况和动力学分析，因此需要对几何模型进行约束，在完成约束操作后方可进行分析求解；4、对计算设置初始条件，输入螺纹的公称直径，螺距和螺纹根部弧半径。根据结果对数据进行图表统计处理并进行分析，就可以得出不同螺纹根部的各种指标对螺栓螺纹根部应力的分布情况，以便对螺栓螺纹的结构参数进行优化设计。
结论
螺栓螺纹牙受力的不均匀性是影响疲劳寿命的一个重要因素，本文结合ANSYS软件，为螺栓螺纹轴向受力的有限元分析提供了通用计算流程，为设计人员今后设计出高疲劳强度和高寿命的螺栓提供理论基础。
参考文献
[1]钟友坤.基于ANSYS软件的螺栓螺纹轴向受力有限元分析[J].南方农机，2017，48（22）：4-6.
[2]谢里阳，徐灏.螺栓受力分析的组合结构法及其疲劳寿命估算[J].机械设计，1986（04）：15-20+28.
[3]林晓龙. 高强度螺栓的应力分析及结构疲劳强度优化[D].东北大学，2012.
作者简介：王少华（1970-），男，辽宁省沈阳市人，工程师，主要从事隔膜泵产品设计研发工作，中国有色（沈阳）泵业有限公司技术管理办公室。