考虑粗糙面影响的螺栓单面搭接连接微动疲劳寿命试验研究
发布时间：2021-03-09 10:06
摩擦型高强螺栓连接被广泛应用于土木工程中,结构长期承受循环外荷载时,需要考虑疲劳作用对结构的影响。摩擦型高强螺栓连接结构的疲劳破坏往往归因于连接板的微动疲劳破坏,与普通疲劳不同,微动疲劳承受循环荷载和微动的共同作用,微动作用会减低构件的疲劳寿命。本文通过试验测得8组Q460C钢、10.9级摩擦型高强螺栓单面连接件的微动疲劳寿命及断口形貌。为了建立微动疲劳裂纹寿命模型,将总疲劳寿命分为裂纹扩展寿命和萌生寿命两部分,通过建立有限元模型,对高强钢连接件进行了疲劳分析,并考虑了接触面粗糙度对微动疲劳的影响,主要工作如下:（1）进行摩擦型高强螺栓单面搭接连接疲劳试验,得到疲劳寿命及断口形貌。通过分析电镜扫描得到的图片,可以判断其为微动疲劳破坏,并且得到了裂纹扩展的路径。（2）首先基于试件疲劳断口激光扫描试验数据对断裂面进行三维数值建模,将所得裂纹数值模型导入ABAQUS得到裂纹扩展有限元模型,采用Python编程实现了三维裂纹动态扩展疲劳寿命分析,最终得到微动裂纹扩展寿命和裂纹扩展路径。（3）扫描测定裂纹萌生区附近的接触面获得粗糙度参数Ra,基于疲劳试验总寿命和扩展寿命之差...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
彗星号飞机蒙皮微动疲劳破坏
西安建筑科技大学硕士学位论文2轮表面萌生出微裂纹，微裂纹不断扩展直至钢轮爆裂，最终导致悲剧发生。图1.1彗星号飞机蒙皮微动疲劳破坏图1.2德国ICE高铁车出轨事故近些年来，随着我国经济的迅猛发展，大量的工业和民用建筑相继拔地而起，其中钢结构由于具有强度高、强重比大、施工速度快等优点而被广泛应用于各种复杂结构中。其中一些钢结构由于长期承受动力荷载需要考虑疲劳的影响，如空冷结构，学者们对此做了大量研究[1-2]。目前焊缝连接和螺栓连接是钢结构常用的连接方法。焊接结构由于残余应力的存在不宜承受动力荷载。承压型高强螺栓连接结构在承受动力荷载时会产生较大的剪切变形因此也不适用于直接承受动力荷载的结构。而摩擦型高强螺栓连接结构在承受动力荷载时不易松动并且具有连接可靠、现场作业快、受力性能良好、易拆除等诸多优点。摩擦型高强螺栓连接件有成对的接触面，在疲劳荷载的作用下，接触面之间会发生相互错动，这种错动会造成结构中的连接件提前断裂，大幅减少结构的疲劳寿命，这种情况属于微动疲劳的研究范畴。研究微动疲劳需要从试验和理论两个方面进行。在试验方面，目前微动疲劳试验主要集中于机械和航空领域，以合金材料为主要研究对象，但在土木工程领域，大型钢结构的主要材料为高强钢，因此以高强钢连接件为研究对象的微动疲劳试验更具有工程意义；在理论方面，微动疲劳是一个非常复杂的交叉课题，既涉及微动磨损也涉及疲劳。目前在实际工程中主要通过拟合疲劳寿命曲线来估算微动疲
西安建筑科技大学硕士学位论文5续微动作用下，蚀坑底部逐渐萌生疲劳裂纹，疲劳裂纹在荷载和微动的共同作用下不断扩展直至结构失效，微动疲劳破坏的全过程如下图所示[4]：（a）滑移带产生（b）微裂纹萌生（c）疏松区出现（d）大裂纹萌生图1.5微动疲劳破坏示意图裂纹扩展阶段可分为裂纹成核阶段、裂纹稳态扩展阶段、裂纹失稳扩展阶段。在裂纹成核阶段，裂纹主要在材料表面扩展没有贯穿整个截面，此时影响裂纹扩展的主要因素是外荷载和表面微动作用，裂纹与接触面呈45度角方向扩展。在裂纹稳态扩展阶段，裂纹扩展到材料内部并贯穿整个截面，此时影响裂纹稳态扩展的主要因素是外荷载，表面微动作用对裂纹稳态扩展的影响可以忽略不计，裂纹与接触面呈垂直方向扩展。在裂纹失稳扩展阶段，裂纹会迅速扩展，随后导致材料断裂，这个阶段的持续时间非常短。图1.6微动裂纹扩展图学者们提出了很多关于微动损伤作用机理的理论[5-6]，其中比较重要的观点如下：（1）分子磨损理论Tomlinson从分子运动的角度解释了微动磨损现象，他认为在循环荷载和垂直压力的共同作用下，接触面之间的应力值接近范德华力，相互接触的分子层由于分子间的吸引力将脱离母体，从而导致材料表面出现脱落现象。但是分子磨损理论具有很大的局限性对一些微动磨损现象无法做出合理的解释，因此分子磨损理论被
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维表面粗糙度的表征和应用[J]. 何宝凤,魏翠娥,刘柄显,丁思源,石照耀. 光学精密工程. 2018(08)
[2]考虑粗糙度参数Ra影响的齿根弯曲疲劳寿命计算[J]. 贺迪,唐进元,李国文,周炜. 机械传动. 2018(08)
[3]基于扩展有限元法的齿根裂纹扩展规律[J]. 许德涛,唐进元,周炜. 中南大学学报(自然科学版). 2016(08)
[4]表面粗糙度对三维应力集中系数及疲劳寿命的影响[J]. 廖智奇,吴运新,袁海洋. 中国机械工程. 2015(02)
[5]双粗糙面滑动过程摩擦因数的变化分析[J]. 赖联锋,高诚辉,黄健萌. 中国机械工程. 2014(15)
[6]双粗糙面滑动过程考虑黏着时的摩擦学性能分析[J]. 赖联锋,高诚辉,黄健萌. 中国机械工程. 2014(04)
[7]空冷风机桥架疲劳寿命分析[J]. 徐亚洲,白国良. 地震工程与工程振动. 2013(03)
[8]基于XFEM的钢筋混凝土梁开裂数值模拟[J]. 杨涛,邹道勤. 浙江大学学报(工学版). 2013(03)
[9]干摩擦磨损过程中表面粗糙度的定量描述[J]. 刘洪涛,靳晶,曹守范,葛世荣. 材料研究学报. 2011(05)
[10]LY12CZ预腐蚀疲劳研究[J]. 朱延波,龙霓东. 航空精密制造技术. 2011(02)
博士论文
[1]基于细观损伤机理的韧性断裂研究[D]. 姜薇.西北工业大学 2016
[2]扭动微动磨损机理研究[D]. 蔡振兵.西南交通大学 2009
[3]高强度桥梁钢焊接性的研究[D]. 贾坤宁.东北大学 2008
[4]高低周复合载荷下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D]. 古远兴.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]表面改性对钛合金高温微动疲劳行为影响的研究[D]. 高广睿.西北工业大学 2005
[2]低周载荷作用下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D]. 夏青元.南京航空航天大学 2005
本文编号：3072695
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
彗星号飞机蒙皮微动疲劳破坏
西安建筑科技大学硕士学位论文2轮表面萌生出微裂纹，微裂纹不断扩展直至钢轮爆裂，最终导致悲剧发生。图1.1彗星号飞机蒙皮微动疲劳破坏图1.2德国ICE高铁车出轨事故近些年来，随着我国经济的迅猛发展，大量的工业和民用建筑相继拔地而起，其中钢结构由于具有强度高、强重比大、施工速度快等优点而被广泛应用于各种复杂结构中。其中一些钢结构由于长期承受动力荷载需要考虑疲劳的影响，如空冷结构，学者们对此做了大量研究[1-2]。目前焊缝连接和螺栓连接是钢结构常用的连接方法。焊接结构由于残余应力的存在不宜承受动力荷载。承压型高强螺栓连接结构在承受动力荷载时会产生较大的剪切变形因此也不适用于直接承受动力荷载的结构。而摩擦型高强螺栓连接结构在承受动力荷载时不易松动并且具有连接可靠、现场作业快、受力性能良好、易拆除等诸多优点。摩擦型高强螺栓连接件有成对的接触面，在疲劳荷载的作用下，接触面之间会发生相互错动，这种错动会造成结构中的连接件提前断裂，大幅减少结构的疲劳寿命，这种情况属于微动疲劳的研究范畴。研究微动疲劳需要从试验和理论两个方面进行。在试验方面，目前微动疲劳试验主要集中于机械和航空领域，以合金材料为主要研究对象，但在土木工程领域，大型钢结构的主要材料为高强钢，因此以高强钢连接件为研究对象的微动疲劳试验更具有工程意义；在理论方面，微动疲劳是一个非常复杂的交叉课题，既涉及微动磨损也涉及疲劳。目前在实际工程中主要通过拟合疲劳寿命曲线来估算微动疲
西安建筑科技大学硕士学位论文5续微动作用下，蚀坑底部逐渐萌生疲劳裂纹，疲劳裂纹在荷载和微动的共同作用下不断扩展直至结构失效，微动疲劳破坏的全过程如下图所示[4]：（a）滑移带产生（b）微裂纹萌生（c）疏松区出现（d）大裂纹萌生图1.5微动疲劳破坏示意图裂纹扩展阶段可分为裂纹成核阶段、裂纹稳态扩展阶段、裂纹失稳扩展阶段。在裂纹成核阶段，裂纹主要在材料表面扩展没有贯穿整个截面，此时影响裂纹扩展的主要因素是外荷载和表面微动作用，裂纹与接触面呈45度角方向扩展。在裂纹稳态扩展阶段，裂纹扩展到材料内部并贯穿整个截面，此时影响裂纹稳态扩展的主要因素是外荷载，表面微动作用对裂纹稳态扩展的影响可以忽略不计，裂纹与接触面呈垂直方向扩展。在裂纹失稳扩展阶段，裂纹会迅速扩展，随后导致材料断裂，这个阶段的持续时间非常短。图1.6微动裂纹扩展图学者们提出了很多关于微动损伤作用机理的理论[5-6]，其中比较重要的观点如下：（1）分子磨损理论Tomlinson从分子运动的角度解释了微动磨损现象，他认为在循环荷载和垂直压力的共同作用下，接触面之间的应力值接近范德华力，相互接触的分子层由于分子间的吸引力将脱离母体，从而导致材料表面出现脱落现象。但是分子磨损理论具有很大的局限性对一些微动磨损现象无法做出合理的解释，因此分子磨损理论被
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维表面粗糙度的表征和应用[J]. 何宝凤,魏翠娥,刘柄显,丁思源,石照耀. 光学精密工程. 2018(08)
[2]考虑粗糙度参数Ra影响的齿根弯曲疲劳寿命计算[J]. 贺迪,唐进元,李国文,周炜. 机械传动. 2018(08)
[3]基于扩展有限元法的齿根裂纹扩展规律[J]. 许德涛,唐进元,周炜. 中南大学学报(自然科学版). 2016(08)
[4]表面粗糙度对三维应力集中系数及疲劳寿命的影响[J]. 廖智奇,吴运新,袁海洋. 中国机械工程. 2015(02)
[5]双粗糙面滑动过程摩擦因数的变化分析[J]. 赖联锋,高诚辉,黄健萌. 中国机械工程. 2014(15)
[6]双粗糙面滑动过程考虑黏着时的摩擦学性能分析[J]. 赖联锋,高诚辉,黄健萌. 中国机械工程. 2014(04)
[7]空冷风机桥架疲劳寿命分析[J]. 徐亚洲,白国良. 地震工程与工程振动. 2013(03)
[8]基于XFEM的钢筋混凝土梁开裂数值模拟[J]. 杨涛,邹道勤. 浙江大学学报(工学版). 2013(03)
[9]干摩擦磨损过程中表面粗糙度的定量描述[J]. 刘洪涛,靳晶,曹守范,葛世荣. 材料研究学报. 2011(05)
[10]LY12CZ预腐蚀疲劳研究[J]. 朱延波,龙霓东. 航空精密制造技术. 2011(02)
博士论文
[1]基于细观损伤机理的韧性断裂研究[D]. 姜薇.西北工业大学 2016
[2]扭动微动磨损机理研究[D]. 蔡振兵.西南交通大学 2009
[3]高强度桥梁钢焊接性的研究[D]. 贾坤宁.东北大学 2008
[4]高低周复合载荷下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D]. 古远兴.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]表面改性对钛合金高温微动疲劳行为影响的研究[D]. 高广睿.西北工业大学 2005
[2]低周载荷作用下燕尾榫结构微动疲劳寿命研究[D]. 夏青元.南京航空航天大学 2005
本文编号：3072695
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