基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法，属于机械工程与材料科学应用技术领域。该方法首先分别采用应变、应力控制开展螺栓材料疲劳试验，并基于最小二乘法对试样数据进行回归，获得弹性应变寿命和塑性应变寿命曲线方程。通过对弹性、塑性应变寿命曲线方程叠加，获得总应变寿命曲线方程。然后，针对螺栓构件开展有限元仿真与模拟，确定危险位置，提取螺栓应力与应变分布。最后，将最大应力、应变值代入总应变寿命曲线方程，获得工程实际中螺栓构件的寿命。该方法基于局部应力应变理论及有限元仿真，整个流程易于实现、成本低廉，可有效解决工程中螺栓构件的疲劳寿命预测难题。栓构件的疲劳寿命预测难题。

【技术实现步骤摘要】
基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法


[0001]本专利技术涉及工程结构件寿命预测
，具体涉及一种基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法。

技术介绍

[0002]螺纹连接结构是机械工程中广泛使用的紧固结构，如在飞机、汽车、压力容器、化工机器和矿山机械中，螺栓作为重要的连接件，常常影响工程构件的安全性与可靠性。
[0003]螺栓的疲劳破坏是螺纹连接件中最主要的失效形式，由于螺纹连接结构的特殊性，螺纹牙上载荷分布不均匀，在疲劳载荷、振动等作用下，极易发生疲劳断裂失效。因此，为保证工程构件的安全、可靠服役，对螺栓进行疲劳寿命预测是十分必要的。

技术实现思路

[0004]为解决服役过程中螺栓构件的疲劳寿命预测问题，本专利技术提供了一种基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法。首先，分别采用应变、应力控制开展螺栓材料疲劳试验，并基于最小二乘法对试样数据进行回归，获得弹性应变寿命和塑性应变寿命曲线方程。通过对弹性、塑性应变寿命曲线方程叠加，获得总应变寿命曲线方程。然后，针对螺栓构件开展有限元仿真与模拟，确定危险位置，提取螺栓应力与应变分布。最后，将最大应力、应变值代入总应变寿命曲线方程，获得工程实际中螺栓构件的寿命。该方法基于局部应力应变理论及有限元仿真，整个流程易于实现、成本低廉，可有效解决工程中螺栓构件的疲劳寿命预测难题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法，包括如下步骤：
[0007](1)分别采用应力、应变控制，开展螺栓材料低应力高周疲劳和高应变低周疲劳试验；
[0008](2)基于最小二乘法对试样数据进行回归，通过叠加弹性、塑性应变寿命曲线方程，获得总应变寿命曲线方程(公式1)；
[0009][0010]公式(1)中：Δσ'
f
为疲劳强度系数，ε'
f
为疲劳延性系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，Δε/2为局部点的应变幅，E为材料弹性模量，N
f
为失效寿命；
[0011](3)开展螺栓构件有限元仿真与模拟，确定危险位置，提取螺栓应力与应变分布；
[0012](4)将最大应力、应变值代入总应变寿命曲线方程(1)，获得工程实际中螺栓构件的寿命。
[0013]本专利技术的优点和有益效果如下：
[0014]1、本专利技术通过材料疲劳试验，依据局部应力应变理论，再借助构件有限元仿真，实现了工程构件服役过程中螺栓疲劳寿命的预测。
[0015]2、本专利技术的疲劳寿命预测方法具有良好的普适性，对于塑性变形较大、属于低周疲劳的工程构件均有良好的适用性。
[0016]3、本专利技术基于材料疲劳试验和有限元仿真实现，可获得工程构件服役过程中螺栓的寿命值。预测方法简单、准确、效率高，极大程度节约时间、人力和金钱成本。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法流程示意图。
具体实施方式
[0018]下面结合实施例和附图对本专利技术进一步说明。
[0019]本专利技术提供一种基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法，如图1所示，其预测过程为：首先，分别采用应变、应力控制开展螺栓材料疲劳试验，并基于最小二乘法对试样数据进行回归，获得弹性应变寿命和塑性应变寿命曲线方程。通过对弹性、塑性应变寿命曲线方程叠加，获得总应变寿命曲线方程。然后，针对螺栓构件开展有限元仿真与模拟，确定危险位置，提取螺栓应力与应变分布。最后，将最大应力、应变值代入总应变寿命曲线方程，获得工程实际中螺栓构件的寿命。
[0020]实施例1：
[0021]本实施例是对25Cr2MoV材料M48螺栓进行疲劳寿命预测。基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法，并将仿真预测结果与工程实际寿命进行对比验证。
[0022](1)按照GB/T15248
‑
94《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验法》的要求加工试样。分别采用应变、应力控制，开展25Cr2MoV材料螺栓高应变低周疲劳与低应力高周疲劳试验，其中应变控制与应力控制均选为R＝
‑
l对称循环；
[0023](2)根据试样的测试数据，采用最小二乘法分别进行回归，由此可得公式(1)中的4个回归系数：σ
’
f
，b，ε
’
f
，c，从而进一步获得弹性应变寿命曲线方程以及塑性应变寿命曲线方程。通过叠加弹性、塑性应变寿命曲线方程，获得总应变寿命曲线方程；
[0024](3)按照工程实际中螺栓受载情况，考虑螺栓预紧力作用，施加载荷及边界条件，定义材料属性为25Cr2MoV材料，对M48螺栓构件开展有限元仿真与模拟，确定危险位置，提取螺栓应力与应变分布；
[0025](4)根据有限元计算结果，确定最大应变位置处于第一牙根处，亦即裂纹的起源与断裂处，这与螺栓试样的试验结果是一致的。并比较各类型应力、应变的大小，发现屈雷斯卡等效应力、应变值最大。将最大应力、应变值代入总应变寿命曲线方程，得到此螺栓构件的寿命N为1.2
×
105次。该处实际寿命值处于9027～687215次范围内，由此可以说明所采用的有限元计算方法及疲劳寿命计算公式是正确的，具有一定的计算精度。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)分别采用应力、应变控制，进行螺栓材料低应力高周疲劳和高应变低周疲劳试验；(2)基于最小二乘法对步骤(1)获得的疲劳试样数据进行回归，通过叠加弹性、塑性应变寿命曲线方程，获得总应变寿命曲线方程(公式1)；公式(1)中：Δσ'
f
为疲劳强度系数，ε
′
f
为疲劳延性系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，Δε/2为局部点的应变幅，E为材料弹性模量，N
f
为失效寿命；(3)开展螺栓构件有限元仿真与模拟，确定危险位置，提取螺栓应力与应变分布；(4)将最大应力、应变值代入步骤(2)中的总应变寿命曲线方程，获得工程实际中螺栓构件的寿命。2.根据权利要求1所述的基于局部应力应变理论及有限元仿真的螺栓寿命快速预测方法，其特征在于：步骤(1)中，按照GB/T15248
‑
94《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验法》的要求加工试样及开展高应变低周...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨梦起，胡德江，李青，赵亚康，贾亚琳，邹明德，贾海军，沈华哲，张小宇，王莹，黄文汉，刘向东，杨文军，庞建超，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：