CN109490112A - 一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法 - Google Patents

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李�瑞
钱苗
马恒
陈庆吟
周相海
段启强
王斌
张鹏
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Abstract

本发明涉及一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:获取第一试样在室温的抗拉强度、根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力作为螺栓预紧力，并对第二试样进行疲劳试验，绘制S‑N曲线；本发明的优点：根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力作为螺栓预紧力，由于引入了螺栓预紧力，更准确的模拟了螺栓在服役过程中的受力情况，提高了评价预紧螺栓疲劳寿命测试的精度和准确性，可以快速的得到螺栓预紧力和疲劳寿命的关系，与常规疲劳试验方法相比，引入预紧力极大地提高了螺栓疲劳寿命评价的有效性和可靠度。

Description

一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法
技术领域
本发明涉及一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法。
背景技术
结构材料失效破坏大约有80％是由疲劳引起的，螺栓在使用过程中的失效破坏同样如此。对螺栓来说，预紧力可以提高螺栓连接的可靠性和防松能力，从而增强螺栓连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别是对于有密封要求的连接更为必要。然而过高的预紧力，也常会导致连接在服役过程中过早的发生疲劳失效。因此，如何确定螺栓预紧力使其在服役过程中保证防松性能的同时具备足够的疲劳性能是非常重要的。常规的疲劳试验不能引入螺栓预紧力，因此难以准确评价螺栓在不同预紧力下的疲劳寿命，如何研究螺栓预紧力对疲劳寿命的影响就成为了当前螺栓应用过程中的重中之重。如图1所示为疲劳应力循环示意图，对于螺栓高周疲劳试验而言，螺栓在服役过程中始终受到预紧力的作用，即处于受拉状态。为了测试螺栓在给定预紧力下的疲劳寿命，合理评价螺栓疲劳性能与预紧力的关系，就不得不在疲劳试验过程中引入预紧力。预紧力可以简化为在疲劳试验过程中始终受到某一固定的拉应力，因此可以通过在疲劳试验过程中提高应力比来实现，然而仅仅恒定的应力比并不能准确保证螺栓预紧力的大小在不同应力幅下保持不变，如图2所示，这导致疲劳试验结果仍然无法真实地评价螺栓在某一确定的预紧力下的疲劳寿命。
发明内容
本发明所要达到的目的就是提供一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，解决现有预紧螺栓疲劳寿命评价方法不合理的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:
步骤一：获取第一试样在室温的抗拉强度；
步骤二：根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力作为螺栓预紧力，然后对第二试样进行疲劳试验，获取给定应力水平下的试样循环次数；
步骤三：根据步骤二获取的试验结果来绘制S-N曲线，所述S-N曲线以失效时的循环次数作为横坐标，以最大应力作为纵坐标绘制。
优选的，步骤二中的平均应力为抗拉强度的10％～50％。
优选的，所述第一试样通过机床加工而成，且第一试样的外轮廓为圆形，且第一试样的平行段直径等于5mm，第一试样的标距长度等于25mm，第一试样的平行段长度等于30mm。
优选的，步骤一中的所述试样包括至少二个。
优选的，步骤一中第一试样的抗拉强度通过拉伸试验进行获取，拉伸应变速率为1×10-3/s，对应拉伸速度为1.8mm/min。
优选的，所述第二试样通过机床加工而成，且第二试样包括夹持端和平行段，所述夹持端的长度等于35mm，所述平行段的直径等于6mm，所述平行段的长度等于20mm。
综上所述，本发明的优点：根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力，并将平均应力作为螺栓预紧力进行疲劳试验，完善了螺栓高周应力疲劳试验方法，由于引入了螺栓预紧力，更准确的模拟了螺栓在服役过程中的受力情况，这极大地提高了评价预紧螺栓疲劳寿命测试的精度和准确性，可以快速的得到螺栓预紧力和疲劳寿命的关系，与常规疲劳试验方法相比，引入螺栓预紧力极大地提高了螺栓疲劳寿命评价的有效性和可靠度，整个试验方法操作简单，测试精度高，能为螺栓在安装过程中预紧力的选择提供了理论依据。
附图说明
图1为疲劳应力循环示意图；
图2为恒定应力比两个不同应力幅下的疲劳应力循环示意图；
图3为恒定平均应力不同应力幅下的疲劳应力循环示意图；
图4为实施例一绘制的S-N曲线；
图5为实施例二绘制的S-N曲线；
图6为实施例三绘制的S-N曲线。
具体实施方式
一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:
步骤一：获取第一试样在室温的抗拉强度；
步骤二：根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力作为螺栓预紧力，然后对第二试样进行疲劳试验，获取给定应力水平下的试样循环次数；
步骤三：根据步骤二获取的试验结果来绘制S-N曲线，所述S-N曲线以失效时的循环次数作为横坐标，以最大应力作为纵坐标绘制。
根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力，并将平均应力作为螺栓的预紧力进行疲劳试验，完善了螺栓高周应力疲劳试验方法，图3为疲劳试验在平均应力不同应力幅下的疲劳应力循环示意图，即保证在不同应力幅下螺栓的预紧力始终保持不变，如图3所示，由于引入了螺栓预紧力，更准确的模拟了螺栓在服役过程中的受力情况，这极大地提高了评价预紧螺栓疲劳寿命测试的精度和准确性，可以快速的得到螺栓预紧力和疲劳寿命的关系，与常规疲劳试验方法相比，引入预紧力极大地提高了螺栓疲劳寿命评价的有效性和可靠度，整个试验方法操作简单，测试精度高，能为螺栓在安装过程中预紧力的选择提供了理论依据。
所述第一试样通过机床加工而成，且第一试样的外轮廓为圆形，且第一试样的平行段直径等于5mm，第一试样的标距长度等于25mm，第一试样的平行段长度等于30mm，步骤一中的所述试样包括至少二个，步骤一中第一试样的抗拉强度通过拉伸试验进行获取，拉伸应变速率为1×10-3/s，对应拉伸速度为1.8mm/min，能确保第一试验拉伸试验的可靠性，所述第二试样通过机床加工而成，且第二试样包括夹持端和平行段，所述夹持端的长度等于35mm，所述平行段的直径等于6mm，所述平行段的长度等于20mm，有利于第二试样快速的夹持在疲劳试验机的夹头上，确保疲劳试验的试验的可靠性。
实施例一：
一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:
步骤一：获取第一试样在室温的抗拉强度；
步骤二：将平均应力设置为步骤一获取的抗拉强度的10％，然后对第二试样进行疲劳试验，获取给定应力水平下的试样循环次数；
步骤三：根据步骤二获取的试验结果来绘制S-N曲线，所述S-N曲线以失效时的循环次数作为横坐标，以最大应力作为纵坐标绘制，S-N曲线如图4所示，且图4中1、2的表示在当前应力下达到10000000周次未失效的样品个数。
实施例二：
一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:
步骤一：获取第一试样在室温的抗拉强度；
步骤二：将平均应力设置为步骤一获取的抗拉强度的30％，然后对第二试样进行疲劳试验，获取给定应力水平下的试样循环次数；
步骤三：根据步骤二获取的试验结果来绘制S-N曲线，所述S-N曲线以失效时的循环次数作为横坐标，以最大应力作为纵坐标绘制，S-N曲线如图5所示，且图5中1、2的表示在当前应力下达到10000000周次未失效的样品个数。
实施例三：
一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:
步骤一：获取第一试样在室温的抗拉强度；
步骤二：将平均应力设置为步骤一获取的抗拉强度的50％，然后对第二试样进行疲劳试验，获取给定应力水平下的试样循环次数；
步骤三：根据步骤二获取的试验结果来绘制S-N曲线，所述S-N曲线以失效时的循环次数作为横坐标，以最大应力作为纵坐标绘制，S-N曲线如图6所示，且图6中1、2的表示在当前应力下达到10000000周次未失效的样品个数。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (6)

1.一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，其特征在于：包括第一试样和第二试样，依次包括以下步骤:
步骤一：获取第一试样在室温的抗拉强度；
步骤二：根据步骤一获取的抗拉强度来设置平均应力作为螺栓预紧力，然后对第二试样进行疲劳试验，获取给定应力水平下的试样循环次数；
步骤三：根据步骤二获取的试验结果来绘制S-N曲线，所述S-N曲线以失效时的循环次数作为横坐标，以最大应力作为纵坐标绘制。
2.根据权利要求1所述的一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，其特征在于：步骤二中的平均应力为抗拉强度的10％～50％。
3.根据权利要求1所述的一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，其特征在于：所述第一试样通过机床加工而成，且第一试样的外轮廓为圆形，且第一试样的平行段直径等于5mm，第一试样的标距长度等于25mm，第一试样的平行段长度等于30mm。
4.根据权利要求3所述的一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，其特征在于：步骤一中的所述第一试样包括至少二个。
5.根据权利要求4所述的一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，其特征在于：步骤一中第一试样的抗拉强度通过拉伸试验进行获取，拉伸应变速率为1×10-3/s，对应拉伸速度为1.8mm/min。
6.根据权利要求1所述的一种测试预紧螺栓轴向应力疲劳寿命的试验方法，其特征在于：所述第二试样通过机床加工而成，且第二试样包括夹持端和平行段，所述夹持端的长度等于35mm，所述平行段的直径等于6mm，所述平行段的长度等于20mm。
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