3-65  轴向载荷下螺栓非啮合螺纹段变形的实验和三维有限元计算分析

尹益辉  符春渝  黄  鹏  魏晓贞

利用MTS810材料试验机对M10×1.5 mm的普通三角形螺纹螺栓－螺母副(试件)施加拉伸载荷，试件材料为D6AC，利用电子散斑系统ESPI-Q100测试螺栓上无内螺纹与之啮合的外螺纹段表面的变形，给出了外螺纹段表面位移和应变的实测结果。同时，考虑各实际接触对之间的接触关系和螺纹的螺旋线型结构特征，建立试件的三维有限元模型，给出了相应的计算结果。

图1是实验测试的侧向位移分布图。图1表明被测区侧向位移等值(色)线相对于螺栓轴线(沿AB线)有较明显的倾斜，而在侧向位移为零的等色线两侧，侧向位移方向相反。这反映出螺栓在受到拉伸而轴向伸长、横截面收缩的过程中，还由于螺纹连接而发生了扭转变形。

    实测和计算给出的被测区表面轴向位移的分布规律一致，在数值上处于相同量级，分别约为5 μm和9.5 μm，分布图像中的等值(色)线相对于x轴仅略有倾斜，基本上反映了螺栓被整体向下拉长的变形特征；等值线倾斜方向反映出螺纹连接结构在轴向拉伸下有轻微“偏心”变形。这种轻微的“偏心”变形体现了三维螺旋线型螺纹的传力特征，即当螺纹圈数不太多时，螺栓－螺母副受到轴向拉伸时螺栓的轴向变形不是轴对称的。

    图2(a)，(b)给出了外螺纹段表面一条轴向轮廓线上轴向应变沿轴向分布的实测和的有限元计算结果，两者都反映了轴向应变分布有与螺纹结构对应的周期特征，只是实测曲线各周期的幅值很不均匀，且比计算值要小。这种实测曲线的波形不均匀及与计算结果之间的差别，说明被测区各螺纹的应变测试误差较大。因此，采用电子散斑系统ESPI-Q100测试螺纹表面的应变时，还需要通过提高表面喷涂层的精度和探头安装精度等来提高测试的精度。总之，实验测试结果能够反映位移和应变分布的总体特征，位移的实测结果在数量上也与有限元计算结果处于同一量级。但实测还得不到牙顶和牙根部位位移和应变的准确数据，丢掉了位移和应变的峰值，而有限元计算能够相当准确地给出螺纹牙顶和牙根部位的位移和应变，可以弥补实测的不足。因此将实验测试与有限元计算相结合，能有效地研究螺纹螺栓连接结构的变形和应力问题。