螺纹形状对螺栓疲劳强度有着显著影响。通过优化螺纹根部半径，疲劳强度可以从60MPa提升到110MPa，甚至使寿命翻倍。今天我们通过对比试验与仿真分析，量化展示这种优化措施的优势和准确性，揭示微小改动如何显著提升螺纹性能。
01
60度螺纹及其变种
尽管60度螺纹因其适用性和标准化而被广泛采用，然而，为了更好地适应多样化的应用场景和特定需求，60度螺纹衍生出了多种变种。其中，最具有代表性的当属UN（Unified National）螺纹及其变种UNJ和UNR。这些螺纹的主要区别在于根部半径的不同。
UN螺纹是标准英制螺纹，UNJ和UNR是其变种。M螺纹是标准公制螺纹，MJ是其变种。从根部半径的大小来看，UNR与M螺纹相当，都采用了略微圆滑的根部设计。相比之下，UNJ与MJ螺纹则具有更大幅度的圆滑根部设计，这种设计增强了螺纹的疲劳强度。
02
试验设置
选择螺纹形状时，较大的根部圆角在疲劳强度方面存在优势已成为共识。为了量化这种优势，可以通过对比试验进行验证。具体步骤如下：
首先，为了方便识别位置，对螺纹啮合区域内各螺牙进行编号，如下图所示。
接着，准备不同螺栓，以区分不同根部半径和不同螺距对螺栓性能的影响。具体包括三种不同根部圆角半径的M16螺栓，分别为0.29mm、0.58mm和0.87mm，以及两种不同螺距的螺栓，分别为2.0mm和2.015mm。所有配对螺母的高度均保持一致，均为16mm，且螺母的螺纹根部半径未做修改，螺距为2.0mm。在实际应用中，旨在增强疲劳强度的螺纹根部半径优化措施仅实施于外螺纹（螺栓），而内螺纹（螺母）通常不需要优化根部半径，因为内螺纹的设计轮廓已经能够提供足够的强度和配合精度。
然后，准备疲劳试验台及夹具。试验中的螺栓连接状态如下图展示：螺母侧和螺栓头侧分别位于设备的两个不同的上下框架中，下侧框架固定在机器上，上侧框架承受循环载荷。
最后，统一试验参数。为了消除紧固扭矩的影响，试验中被试件的紧固扭矩被设置为0。下表显示了实验中设置的载荷条件。S-N曲线是根据五个应力幅值水平下的实验结果获得的，疲劳极限设置为2 × 106次循环。
03
根部圆角半径对螺栓疲劳强度的影响
两种螺距下的三种不同根部圆角半径螺纹的疲劳试验结果如下图所示：
当螺距为2.0mm时，如上图左，随着根部圆角半径的增大，螺栓连接的疲劳极限从60MPa增加到80MPa。圆角半径0.87mm（3ρ0）的疲劳寿命分是圆角半径0.58mm（2ρ0）和0.29mm（ρ0）的1.54倍和3倍。
当螺距为2.015mm时，如上图右，当应力为130MPa时，圆角半径0.58mm（2ρ0）的疲劳寿命比圆角半径0.29mm（ρ0）时提高了2倍。疲劳极限从60MPa提高到100MPa。根部半径0.87mm的疲劳极限高达110MPa。
也就是说，根部半径从0.29mm，分别增加到0.58mm和0.87mm时，螺栓连接的疲劳极限分别提高了67%和83%。
04
螺距-根部半径对疲劳强度的影响
将不同螺距和不同根部半径的疲劳寿命对比发现：
当根部圆角半径为0.29mm时，随着螺距从2.0mm增加到2.015mm，尽管疲劳极限保持不变，但疲劳寿命显著提高。
螺距为2.0mm时，根部圆角半径0.58mm（2ρ0）的螺栓疲劳寿命是0.29mm（ρ0）的两倍，疲劳极限从60MPa提高到80MPa，增加了33%。
引入螺距2.015mm对比组，并将根部圆角半径增大到0.58mm，疲劳极限提高了67%，应力幅值为160MPa时，疲劳寿命提高了162%。
05
疲劳裂纹观察
疲劳裂纹有助于进一步了解螺栓在疲劳试验中的失效机制，下图是疲劳实验后从螺栓外表面观察到的螺牙编号与裂纹形态示意图。
当螺距为2.0mm时，即便不同圆角半径和应力，裂纹通常集中在第1或第2个螺纹处，并且裂纹扩展导致螺栓在同一螺纹处最终断裂，而不会延伸到其他螺纹。
然而，当螺距增加到2.015mm时，裂纹的扩展行为发生了变化。初始裂纹在第6或第7个螺纹处产生，并在该螺纹处扩展。随后，裂纹依次在第5、第4……直到第1个螺纹处出现，最终导致螺栓失效。
下图展示了疲劳测试后螺栓螺纹表面和螺母截面的示例：
在相同螺距2.015mm的情况下，圆角半径0.29mm和0.58mm的螺纹表面状态几乎相同。通过增大螺纹根部圆角半径，没有看到螺纹剥落现象。
06
有限元分析
有限元分析有助于进一步验证试验结构。有限元网格示例如图：
有限元模型的弹塑性分析在与实验相同的加载条件下进行。夹紧体的螺栓头侧固定，轴向力F = 30 ± 14.1 kN施加在螺栓头上。螺栓根部的应力幅值和名义应力幅值分别为213 MPa和100 MPa。
6.1 相同螺距下的螺栓根部应力
当螺距为2.0mm时，最危险的部分位于第2螺纹。将根部圆角半径从0.29mm增大到 0.58mm时，第2个螺纹处的平均应力减少约6%，应力幅值减少约38%。
当螺距为2.015mm时，最危险的部分位于第6和第7个螺纹附近。根部圆角半径从0.29mm增大到0.58mm时，第6个螺纹处的平均应力减少约8%，应力幅值减少约26%。
以上结果与上文中断裂表面观察结果一致。
6.2 不同螺距的根部应力
下图比较了不同根部圆角半径，不同螺距下的平均应力和应力幅值。
当螺距从2.015mm增加到2.033mm时，根部圆角半径0.29mm和0.58mm的螺栓应力分布式相同的。远离螺栓头一侧的最大应力幅值和平均应力与实验结果一致。
螺丝君经验与总结
L.S.ENGINEER Experience and Summary
实验结果表明，通过增大螺栓根部圆角半径，疲劳极限可提高超过30%，寿命提升1.5倍到3倍。优化螺距可以控制螺纹裂纹失效位置。在优化螺距和圆角半径的情况下，疲劳寿命可提高162%。
由此可见，增大螺栓根部圆角半径并优化合适的螺距可以有效地提高螺栓螺母连接的疲劳寿命和疲劳极限。
返回
首页
关于我们
联系我们
电话咨询