緊固件作為通用基礎(chǔ)件，是工程和制造中不可或缺的重要組成部分。在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)連接依賴各類緊固件，可確保飛行器的結(jié)構(gòu)牢固可靠，飛行器部段之間的連接也離不開緊固件的支持。因此，螺栓連接的可靠性對于保障航空航天飛行器的安全和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。

當(dāng)前常用的機(jī)械連接方式中，螺栓連接是一種可拆卸的固定連接，具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)。SUN和LIAO等[2-3]通過對螺紋的建模和分析，得到螺紋軸向載荷和應(yīng)力分布規(guī)律，研究了螺紋的形狀和螺栓效應(yīng)對螺栓疲勞的影響，研究結(jié)果對建立螺栓疲勞模型提供了理論上的幫助，利用有限元仿真分析等技術(shù)，對螺栓連接在循環(huán)載荷下的疲勞性能進(jìn)行模擬和預(yù)測。PAI等[4]通過建立復(fù)雜的有限元模型，結(jié)合材料的自身結(jié)構(gòu)、載荷歷程和幾何非線性等因素，實(shí)現(xiàn)了對螺栓連接疲勞壽命的準(zhǔn)確預(yù)測。HOUSARI等[5]開展了針對螺栓連接應(yīng)力松弛現(xiàn)象的仿真研究，通過分析材料的彈性和塑性行為，模擬了預(yù)緊后螺栓連接的應(yīng)力狀態(tài)變化，研究結(jié)果為應(yīng)力松弛影響的評估提供了理論基礎(chǔ)。MAGGI等[6]對螺栓進(jìn)行仿真分析，研究了疲勞載荷和應(yīng)力松弛對螺栓連接壽命的綜合影響。ZHANG等[7]開發(fā)了一種多尺度仿真方法，用于研究復(fù)雜工況下的螺栓連接疲勞行為。呂金嶧等[8]發(fā)現(xiàn)某搖臂螺栓在使用過程中因偏載而發(fā)生疲勞斷裂，并研究了外載荷對螺栓連接疲勞行為的影響。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者已針對螺紋副的仿真建模進(jìn)行了大量研究，但是對于螺紋副服役搭接疲勞可靠性的仿真方法及預(yù)測模型研究還不充分，還不能形成相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)庫?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀，筆者以典型材料螺紋副為研究對象，構(gòu)建了仿真模型，獲取螺栓連接的有限元關(guān)鍵建模方法，為后續(xù)的螺栓服役及正向設(shè)計(jì)提供分析方法，同時(shí)建立了典型工況下螺紋副服役搭接疲勞的仿真模型，并對影響服役的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，結(jié)果可為后續(xù)典型螺紋副服役及可靠性提供數(shù)據(jù)支撐。

1. 螺紋連接疲勞仿真分析模型

基于GJB 715.9—1990 《緊固件試驗(yàn)方法 抗剪接頭疲勞》，建立了典型材料螺紋連接的疲勞仿真分析模型，研究螺栓連接在疲勞載荷下的應(yīng)力應(yīng)變分布、裂紋生成與擴(kuò)展規(guī)律，并評估了不同因素對搭接疲勞壽命的影響。通過有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，確定了影響螺栓連接性能的關(guān)鍵因素，為設(shè)計(jì)優(yōu)化和可靠性評估提供理論依據(jù)。

1.1 螺栓搭接疲勞有限元建模方法

利用ABAQUS軟件建立了單螺栓搭接結(jié)構(gòu)的有限元模型，包含螺栓、螺母、被連接板及墊片等部件。采用的螺栓為M6標(biāo)準(zhǔn)件，符合GB/T 5782—2016 《六角頭螺栓》要求，螺母同樣為M6標(biāo)準(zhǔn)件，符合GB/T 41—2000 《六角螺母 C級》要求，圓墊片的外徑為11 mm，內(nèi)徑為6.6 mm，厚度為1.5 mm，被連接板的尺寸為96 mm×48 mm×6 mm（長度×寬度×高度）。

在建立有限元模型時(shí)，首先采用CAD軟件繪制螺栓、螺母及墊片的幾何模型，然后在ABAQUS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型采用的網(wǎng)格單元類型為C3D8R線性縮減積分單元，并對螺紋處的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理，以更準(zhǔn)確地模擬應(yīng)力集中效應(yīng)。該方法得到的螺紋部分單元形狀規(guī)則，螺紋處網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖1所示。

圖 1 單螺栓搭接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意

1.2 邊界條件及載荷設(shè)置

有限元模型的邊界條件及載荷設(shè)置至關(guān)重要，有利于確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。單螺栓搭接結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。首先，對固定板的左端面施加運(yùn)動耦合約束，將其與參考點(diǎn)1連接，對參考點(diǎn)1施加完全約束。將螺母整體與參考點(diǎn)3進(jìn)行運(yùn)動耦合約束，并對參考點(diǎn)3施加繞z軸的轉(zhuǎn)角位移，通過螺紋間的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)螺栓的拉緊，進(jìn)而施加預(yù)緊力。

圖 2 單螺栓搭接結(jié)構(gòu)有限元模型

為模擬實(shí)際工作環(huán)境中的疲勞載荷情況，將移動板的右端面與參考點(diǎn)2進(jìn)行運(yùn)動耦合約束，對參考點(diǎn)2施加應(yīng)力比為0.1的正弦位移載荷，其中載荷峰值為Pm，載荷頻率為ω。此過程模擬了螺栓連接在循環(huán)載荷作用下的疲勞行為。通過對參考點(diǎn)2施加周期性位移載荷，觀察螺栓連接的應(yīng)力應(yīng)變分布及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 715.9—1990，在單螺栓搭接結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立多螺栓搭接結(jié)構(gòu)有限元模型，結(jié)果如圖3所示。多螺栓搭接結(jié)構(gòu)的螺栓、螺母及墊片尺寸保持不變，被連接件及搭接相關(guān)尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 715.9—1990的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。材料參數(shù)、邊界條件及外部載荷等方面的設(shè)置均與單螺栓搭接結(jié)構(gòu)有限元模型保持一致，以確保兩種模型的對比分析具有一致性和可比性。

圖 3 多螺栓搭接結(jié)構(gòu)幾何模型

1.3 材料參數(shù)設(shè)定

螺栓和螺母均采用TC4合金材料，建立了其典型金屬彈性和塑性本構(gòu)模型。材料參數(shù)通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)獲取，彈性模量為93.2 GPa，泊松比為0.34，塑性參數(shù)如表1所示[9]。被連接件材料為TC4和Al6061合金，分別建立其金屬彈性和塑性本構(gòu)模型。TC4合金的彈性模量為80 GPa，泊松比為0.34；Al6061合金的彈性模量為70 GPa，泊松比為0.27。采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，本構(gòu)方程如式（1）所示，具體參數(shù)如表2所示。

式中：A為準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度；B為硬化模量；C為應(yīng)變率敏感系數(shù)；n為硬化指數(shù)；?ˉ為塑性應(yīng)變；?˙為應(yīng)變率；?˙0為參考應(yīng)變率；m為溫度軟化指數(shù)；T為材料的絕對溫度；Troom為參考溫度；Tmelt為材料的熔點(diǎn)溫度；?ˉ為應(yīng)力。