螺紋連接結構動態力學響應與失效行為研究取得新進展

導論

近日，陜西省沖擊動力學及工程應用重點實驗室李玉龍教授團隊系統地對螺紋連接結構在寬率域力學響應和相關機理、以及螺紋連接結構在沖擊疲勞下的失效行為和機理進行了深入研究，取得了系列發現，相關成果分別發表在國際Top期刊《Thin-Walled Structures》和《Engineering Failure Analysis》上，論文的題目分別為“Mechanical Behaviour and Failure Mechanism of 7075 Aluminium Alloy Threaded Connections under Wide Loading Rate“和" Failure Behaviours of Steel/Aluminium Threaded Connections under Impact Fatigue“。

論文的第一作者均為西北工業大學航空學院2023級二年級碩士研究生張晨旭，西北工業大學航空學院苗應剛副教授為通訊作者，研究過程中得到了李玉龍教授、湯忠斌副教授、豆清波副研究員和趙峰副教授的悉心指導和幫助。該工作得到了國家自然科學基金面上項目、陸空基信息感知與控制全國重點實驗室開放基金項目和中國航空科學基金的資助。

1.內容簡介

螺紋連接件具有裝配方便、可重復使用、性能可靠等優點，是工程結構中的重要部件。然而，在服役過程中，它們易受沖擊載荷作用，并因局部應力集中而引發潛在破壞，導致過早失效。因此，采用試驗與數值模擬相結合的方法，研究螺紋連接件在寬應變率范圍內的力學響應及其沖擊疲勞失效行為至關重要。

螺紋連接結構在寬率域下的力學響應和相關機理的研究主要針對M10的7075-Al螺紋連接結構，對其螺紋連接的長度和螺紋的齒距對螺紋連接結構的力學響應的影響進行了深入研究，并提出了一種等效應力應變的計算方法。通過電子萬能試驗機和改進后分離式Hopkinson拉桿系統完成了螺紋連接結構的準靜態和動態測試（如圖1），全面探究了螺紋連接結構在寬率域下的力學響應。研究發現：螺紋連接長度顯著影響結構的承載能力與失效模式；而螺距則主要影響其抗剪切破壞能力。

圖1. 螺紋連接結構的準靜態測試(a)和動態測試(b)

由于螺紋連接結構在試驗過程中無法觀察，因此針對準靜態和動態測試得到的螺紋連接結構在寬率域下的力學響應的結果，使用有限元建模和仿真的手段（如圖2）對相關機理進行分析。

圖2. 螺紋連接結構的有限元仿真模型(a)；仿真的失效效果(b)與試驗的失效結果(c)對比

螺紋連接結構在沖擊疲勞下的失效行為和相關機理的研究主要是使用一種基于應力波傳導的新型加載方法，以實現螺紋連接結構的1 kHz頻率的可控沖擊疲勞加載。該裝置的原理示意圖如圖3所示。如圖4是典型沖擊疲勞作用下入射桿和透射桿的應力波的傳播歷史，對螺紋連接結構實現了頻率高達1033 Hz的循環沖擊加-卸載過程。

圖3. 沖擊疲勞試驗系統部件參數及原理示意圖

圖4. 典型沖擊疲勞作用下入射桿和透射桿的應力波的傳播歷史

基于該沖擊疲勞試驗系統得到了四圈M8×1.0鋼/鋁螺紋連接結構在1033 Hz的S-N曲線，結果如圖5。結果表明，鋼/鋁螺紋連接結構的載荷與疲勞壽命呈對數線性關系。借助有限元建模和仿真對鋼/鋁螺紋連接結構在沖擊疲勞下的失效行為進行了解釋，如圖6所示。

圖5. 四圈M8×1.0鋼/鋁螺紋連接結構在1033 Hz的S-N曲線

圖6. 鋼-鋁螺紋連接仿真結果，(a)鋼內螺紋應變分布輪廓，(b) 鋁外螺紋應力分布輪廓，(c)螺紋上標記的四個位置，(d)四個位置輸出的應力-時間曲線。

2.結論

該工作對螺紋連接的長度和螺紋的齒距對螺紋連接結構的力學響應的影響進行了深入研究，借助電子萬能試驗機和改進后分離式Hopkinson拉桿系統，獲取了不同螺紋連接長度與螺距下的寬率域載荷—位移曲線，并提出等效應力-應變歸一化方法，實現了對承載效率的快速評估。研究發現，7075鋁合金螺紋連接結構的強度對加載速率依賴性極弱；螺紋連接長度顯著影響結構的承載能力與失效模式，而螺距主要影響其抗剪切破壞能力。此外，使用了一種基于應力波傳導的新型可控沖擊疲勞加載技術，實現鋼/鋁螺紋連接結構的1033Hz頻率的可控沖擊疲勞加載，揭示了疲勞壽命對沖擊載荷幅值高度敏感，驗證了該加載方法在螺紋連接結構沖擊疲勞性能表征中的可行性。同時，借助有限元建模與仿真技術，對螺紋連接結構的相關機理進行了定量地分析與研究。本研究不僅完善了螺紋連接結構的性能評估與疲勞壽命預測方法，也為其服役性能優化與抗沖擊疲勞設計提供了可靠依據。