基于有限元分析的螺釘斷裂失效研究

劉春江，劉新靈，陳 星

(1.北京航空材料研究院中航工業失效分析中心，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095)

0 引言

螺釘是航空產品重要的緊固件，其安全使用對實現產品性能或功能作用至關重要。在設計階段，有限元分析是一種常用的強度計算方法，對螺釘在良好工作狀態下的強度進行計算［1］，以提高螺釘的安全使用壽命，但在實際應用中，航空產品連接件的試驗和計算由于受到多種因素的影響，如連接形式、幾何尺寸、緊固件的類型、載荷類型、環境以及材料性能等，在使用中發生的斷裂失效形式較多，失效原因也復雜多樣［2－5］。對于連接件，根據工況條件進行有限元分析，不僅能夠有效地用于失效原因查找，還可以獲取直接的改進措施［6］。

航空液壓油泵可靠性強化振動試驗尚未達到目標壽命時，連接油泵殼體與支架的螺釘提前斷裂，振動試驗在 x、y、z方向上依次進行(圖1)，3個方向上的試驗過程一致，每個方向上的具體試驗過程見表1。通過外觀觀察、斷口宏微觀觀察和組織檢查等方法，結合有限元分析，分析螺釘失效模式和失效原因。

表1 具體振動試驗過程Table 1 Detailed process of vibratory test

圖1 油泵結構及振動方向示意圖Fig.1 Sketch of lubropump structure and vibration directions

1 試驗過程與結果

1.1 外觀觀察

螺釘通過擰入油泵殼體的螺孔，將支架固定在油泵殼體上，支架的螺孔內壁無螺紋。斷裂螺釘安裝于支架的焊縫與加強筋的夾角處，且距離加強筋的過渡圓角較近，孔周圍存在不均勻接觸痕跡(圖2)。螺孔周圍位于y軸上的焊點可見兩處接觸痕跡，為螺帽壓在焊點上形成;螺孔兩側在x軸上存在明顯的接觸痕跡，是由距離過渡圓角較近引起螺孔兩側高度不同而產生的。支架螺孔內壁無螺紋，但可見與螺釘螺紋的接觸變形特征(圖3)。螺帽邊緣可見與焊點接觸形成的凹坑特征，螺帽上存在不均勻接觸現象，經比較發現，螺帽上與螺孔周圍接觸痕跡相對應(圖4)。

1.2 斷口宏微觀觀察

螺釘斷裂于第2扣與第3扣之間的螺紋底部，斷口分3個區域:裂紋源區、擴展區和瞬斷區(圖5)。裂紋源區位于螺紋表面，與螺帽與焊點的接觸變形位置同側，斷口沿螺釘徑擴展，擴展區面積占斷口的絕大部分，可見疲勞弧線特征，剩余部分位于斷口邊緣，為瞬斷區。

圖2 支架斷裂螺釘孔周圍表面接觸痕跡特征Fig.2 Contact mark on the surface around hole of ruptured screw

圖3 螺紋孔內壁接觸特征Fig.3 Contact mark on the surface in hole

圖4 螺帽表面接觸痕跡特征Fig.4 Contact mark on the cap of screw

將螺釘斷口超聲波清洗后置于掃描電子顯微鏡下對其3個區域進行觀察。斷裂線性起源于螺紋表面，源區未見明顯夾雜、疏松等冶金缺陷，側面未觀察到原始損傷痕跡，裂紋擴展區可見明顯的疲勞條帶特征，瞬斷區可見韌窩和磨損特征(圖6)。

圖5 螺釘斷裂位置及斷口宏觀特征Fig.5 Fracture position of screw and macro－morphology of fracture surface

圖6 斷口微觀形貌Fig.6 SEM of fracture surface

1.3 金相及硬度檢測

在螺釘的螺帽端部取樣，測量維氏硬度并觀察金相組織。將維氏硬度換算為洛氏硬度和抗拉強度，其洛氏硬度值為HRC35，抗拉強度為1063 MPa，滿足技術要求的 HRC 24～37和 σb≥900 MPa。金相組織為GH2132高溫合金正常的等軸晶組織，未見異常(圖7)。

1.4 有限元分析

為分析研究螺孔周圍與螺帽之間的不良接觸現象(尤其是焊點與螺帽的不良接觸現象)對螺釘應力分布的影響，基于有限元分析軟件Ansys Workbench，建立螺釘和螺孔螺紋配合的三維接觸有限元模型，通過在螺帽上施加局部集中力實現對不良接觸現象的模擬，通過在螺帽上施加均勻載荷模擬螺帽接觸良好情況，加載方法見圖8。

圖7 螺釘金相組織Fig.7 Metallurgical structure of screw

螺栓材料為高溫合金GH2132，取彈性模量取 E=198 MPa［7］，泊松比取 ν=0.3，由于難以準確獲得試驗中螺釘的受力情況，本研究選擇F=1 kN，改變局部集中力F'，同時滿足F'+F'=1 kN，實現不良接觸程度對螺釘應力分布的影響的定量描述，探究故障發生的主要原因。

圖8 螺釘受載示意圖Fig.8 Sketch of screw loading

受均勻載荷作用時螺釘的應力分布狀態見圖9，最大應力區位于第1扣嚙合螺紋與未嚙合螺紋之間的螺紋底部;局部集中力可以明顯改變螺釘的應力分布和最大應力水平，最大應力區轉移到與局部集中力同側的螺紋底部并明顯增大(圖10);提取不同局部集中力F'作用下螺釘的最大應力值，可知隨著局部集中力的增加，螺紋底部最大應力值與最大應力增加百分比均呈明顯線性增加趨勢，當=11%時，最大應力增加將近50%(圖11)，對最大應力值增加百分比與局部集中力增大幅度之間的線性關系進行分析，可獲得方程

其中:y為最大應力值增加百分比;x為局部集中力增加幅度，即x=F'/F。

2 分析與討論

2.1 斷裂性質分析

螺釘裂紋斷口線性起源于第2扣與第3扣螺紋之間的螺紋底部，斷面上宏觀可見典型的疲勞弧線特征，微觀可見明顯的疲勞條帶特征，疲勞擴展區占整個斷面的大部分區域;因此，螺釘的斷裂性質為疲勞斷裂。

2.2 斷裂原因分析

對螺釘材料金相組織和硬度進行檢測分析，可知螺釘的材質無異常，即螺釘的斷裂與材質無關。

圖9 受均勻載荷時Von Mises應力分布Fig.9 Stress distribution of Von Mises with uniform loading(F=1 kN)

圖10 局部集中力引起的螺釘應力分布改變Fig.10 Variations of stress distribution by local loading(F＇=110 N)

圖11 局部集中力對最大應力變化趨勢的影響Fig.11 Effect of local load on the varied trend of maximum stress

支架上的螺孔內壁無螺紋，但螺孔內壁存在螺釘第1、2扣螺紋的接觸痕跡，即螺釘的第3扣螺紋與油泵殼體螺孔螺紋的第1扣螺紋嚙合，螺釘斷裂位置位于螺釘第2扣螺紋與第3扣螺紋之間的底部，即未嚙合螺紋與第1扣嚙合螺紋的底部。

螺帽與螺孔周圍存在不良接觸現象:1)在x軸上，不良接觸現象說明螺孔兩側高度不同，由過渡圓角引起螺孔兩側高度不同引起;2)在y軸上，螺帽壓在距螺孔較近的焊點上，引起局部接觸。上述2種不良接觸狀態會引起螺帽不均勻受載，影響螺釘的垂直狀態，導致螺釘的應力分布改變，降低螺釘抗疲勞性能。

為進一步分析不良接觸現象對螺釘應力分布造成的影響，建立有限元模型，通過施加局部集中力，模擬螺孔周圍與螺帽之間的不良接觸，計算其對螺釘應力分布變化的影響。計算結果表明:螺釘最大應力處位于模型未嚙合螺紋與第1扣嚙合螺紋的螺紋底部，與前人分析結果一致［8］，該故障中螺釘斷裂位置也正是未嚙合螺紋(螺釘第2扣螺紋)與第1扣嚙合螺紋(螺釘第3扣螺紋)之間的螺紋底部;當螺釘整體受力F不改變，局部集中力F'不僅可以明顯改變螺釘的應力分布情況，還顯著放大了與局部集中力同側的螺紋底部的應力水平，致使與局部集中力同側的螺紋底部成為最危險的部位，當應力超過疲勞極限時，即會在局部集中力同側的螺紋底部產生疲勞破壞。故障中疲勞裂紋起源于與接觸焊點同側的嚙合螺紋底部，也說明了前面觀察到的兩種不良接觸現象中，焊點與螺帽之間的接觸對螺釘應力分布的改變影響作用更大，致使螺釘在焊點同側的螺紋底部萌生裂紋并發生疲勞斷裂。

3 結論

1)螺釘斷裂性質為疲勞斷裂，焊點與螺帽的接觸，引起螺帽受到局部集中力作用，導致第2扣螺紋(未嚙合螺紋)和第3扣螺紋(第1扣嚙合螺紋)之間的螺紋底部應力增大是導致螺釘斷裂的主要原因。

2)有限元計算結果表明最大應力出現在第1扣嚙合螺紋根部，局部集中力可以明顯改變螺釘的應力分布情況，能夠顯著放大與局部集中力同側的螺紋底部的應力水平。

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