[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及工程结构件寿命预测技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

为解决服役过程中螺栓构件的疲劳寿命预测问题，本发明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。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

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：

(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；

(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)；

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、应变值代入总应变寿命曲线方程(1)，获得工程实际中螺栓构件的寿命。

本发明的优点和有益效果如下：

1、本发明通过材料疲劳试验，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。

2、本发明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。

3、本发明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

图1为本发明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

下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。