專利名稱：M100mm以下高強(qiáng)度螺栓防止延遲斷裂的安全評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于螺栓安全評估技術(shù)領(lǐng)域，尤其是對環(huán)境為大氣、海洋大氣及海水環(huán)境 下使用的12. 9級及以上螺栓的一種MlOOmm以下高強(qiáng)度螺栓防止延遲斷裂的安全評估方法。
背景技術(shù)：
對于應(yīng)用在大氣、海洋大氣及海水環(huán)境下的12. 9級及以上螺栓，由于使用環(huán)境的 惡化，螺栓的延遲斷裂問題十分突出。延遲斷裂是指在靜止應(yīng)力作用下的螺栓經(jīng)過一定時(shí) 間使用后突然使其材料組織發(fā)生脆性破壞的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是材料——環(huán)境——應(yīng)力 相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化，是氫致材質(zhì)惡化(或稱氫損傷或氫脆)的一種形態(tài)。當(dāng) 螺栓的抗拉強(qiáng)度大于1200MPa時(shí)其延遲斷裂的敏感性顯著增大，且在承受比屈服強(qiáng)度低得 多的靜止應(yīng)力作用下就可能發(fā)生延遲斷裂。螺栓在使用過程中，螺紋間軸向受力分布的不均勻性，導(dǎo)致螺栓螺紋根部的應(yīng)力 集中程度不同，在螺栓嚙合的第一扣處也就是螺紋根部的應(yīng)力最大，應(yīng)力集中也最嚴(yán)重，隨 后幾扣螺紋根部應(yīng)力逐步降低，因而螺紋最容易從第一扣處發(fā)生斷裂，尤其是在外部環(huán)境 比較惡化的情況下，更容易發(fā)生延遲斷裂現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大多數(shù)螺栓的斷裂發(fā)生在與螺母 嚙合的第一扣螺紋根部處。目前對于高強(qiáng)度螺栓的安全校核基本采用以下兩種方法①多數(shù)采用強(qiáng)度校核，通過加大強(qiáng)度安全系數(shù)來設(shè)計(jì)高強(qiáng)度螺栓，然而由于延遲 斷裂問題的產(chǎn)生，對于12. 9級及以上高強(qiáng)度螺栓是不合適的；②在滿足基本強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用KIs。。等不同的強(qiáng)度因子并利用線彈性斷裂力學(xué) 理論即Kle或是KIS。。彡K1來判斷其安全使用性。Klc是大氣環(huán)境下高強(qiáng)度螺栓的平面應(yīng)變斷裂韌性，Klscc是海洋大氣及海洋環(huán)境 環(huán)境下高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的界限應(yīng)力強(qiáng)度因子，所述Kls。。的定義是狹義定 義，Kls。。的廣義定義是指在任何腐蝕環(huán)境下高強(qiáng)度螺栓的界限應(yīng)力強(qiáng)度因子，K1是高強(qiáng)度螺 栓的應(yīng)力強(qiáng)度因子。K1。值或Kls。。值可以通過斷裂力學(xué)試驗(yàn)來測定，K1。和Kls。。的取值單位 常用MPiTv/i表示。然而對于K1值，由于螺栓螺紋結(jié)構(gòu)及受力情況等相關(guān)因子的不同其K1 值很難確定，至今未在理論上找到解決的辦法。高強(qiáng)度螺栓的機(jī)械性能，比如強(qiáng)度或是韌性是可以通過機(jī)械測試而獲得的。
發(fā)明內(nèi)容
為了找到K1的相關(guān)因子并建立高強(qiáng)度螺栓防止發(fā)生延遲斷裂的理論評估方式，本 發(fā)明提供了一種MlOOmm以下高強(qiáng)度螺栓防止延遲斷裂的安全評估方法，該安全評估方法 是一種理論計(jì)算上的評估方法，通過對MlOOmm以下各種規(guī)格的12. 9級及以上高強(qiáng)度螺栓 的應(yīng)力強(qiáng)度因子1^進(jìn)行科學(xué)分析得出精確計(jì)算，而后根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)K1?；蚴荎lsraSK1 的判定原則，作出MlOOmm以下高強(qiáng)度螺栓在大氣或是海洋大氣及海水環(huán)境下不會(huì)發(fā)生延
3遲斷裂的理論安全評估。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明的MlOOmm以下高強(qiáng)度螺栓防止延遲斷裂的安全評估方法利用了下述兩個(gè)公式
在上述兩個(gè)公式中
K、一一高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度因子
F一一高強(qiáng)度螺栓的形狀因子
K+一一高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)
。一一高強(qiáng)度螺栓所受的名義軸向拉伸應(yīng)力
七一一高強(qiáng)度螺栓的螺紋深度，由七一(D—d、)／2而得
D一一高強(qiáng)度螺栓的基本大徑
d一一高強(qiáng)度螺栓的基本小徑
d、一一高強(qiáng)度螺栓的螺紋最小小徑，由d、一d一2r所得，其中r為高強(qiáng)度螺栓螺紋根部圓弧半徑
上述高強(qiáng)度螺栓是指強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)GB3098．卜2000的l 2．9級或是l 2．9級以上且形狀符合GB／192—2003、牙底形狀符合GB／T197—2003的高強(qiáng)度螺栓。
本發(fā)明的MlOOmm以下高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)K+與高強(qiáng)度螺栓螺紋根部圓弧半徑r和高強(qiáng)度螺栓螺紋深度t通過有限元模擬設(shè)計(jì)存在如下關(guān)系
從上述公式得出不同規(guī)格高強(qiáng)度螺栓的螺紋參數(shù)r和t影響著K+的最終取值，再結(jié)合，小卜婣+婣一0．363[外”3謝入水o．乒得到K，結(jié)合線彈性斷裂力學(xué)K、?；蚴荎1SC?！軰、的判定原則得出MlOOmm以下高強(qiáng)度螺栓發(fā)生延遲斷裂的安全評估存在如下關(guān)系
i、若K、。≥nK、或是K1SC?！輓K、，則該高強(qiáng)度螺栓符合在大氣或是海洋大氣及海水環(huán)境下不發(fā)生由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的延遲斷裂現(xiàn)象，其中n為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，n的取值范圍控制在1．1一1．4；
i i、若K、。<nK、或是K1SC。<nK、，則該高強(qiáng)度螺栓不符合在大氣或是海洋大氣及海水環(huán)境下不發(fā)生由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的延遲斷裂現(xiàn)象。
由于采用如上所述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性
l、通過對高強(qiáng)度螺栓螺紋進(jìn)行有限元受力分析，確定出了高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度因子K，再根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)判定原理得出K、?；蚴荎1SC。與K之間的關(guān)系，使高強(qiáng)度螺栓的安全評估具有準(zhǔn)確、可靠之特點(diǎn)。
2、本發(fā)明方法可靠，計(jì)算簡便，為評估高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂找到了理論依據(jù)。
具體實(shí)施例方式對于高強(qiáng)度螺栓，Klc值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4161-2007而實(shí)測所得的，Klscc值是根據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)GBT/15970. 6-1998而實(shí)測所得的。影響Kle及Klsee測試值的因素很多，如成分范圍波 動(dòng)、不同制造工藝條件、不同使用條件等。影響K1值的因素為螺栓在制造過程中形狀無法 保持完全一致，每個(gè)螺栓所受應(yīng)力的不一致，為確保高強(qiáng)度螺栓使用過程中的安全性，因此 這時(shí)應(yīng)考慮安全系數(shù)η的取值范圍，通過不同安全系數(shù)η的取值來消除由于螺栓在成分范 圍波動(dòng)、不同制造工藝條件、不同使用條件等帶來的K1?；騅ls。。值的測試偏差及K1值的計(jì)算 偏差。本發(fā)明主要通過有限元模擬設(shè)計(jì)找出了高強(qiáng)度螺栓螺紋根部圓弧半徑r和 高強(qiáng)度螺栓螺紋深度t之間的關(guān)系，這種關(guān)系的建立確定了高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系
數(shù)Kt，Kt=I. 45437 + 1. 31034#，允許Kt有一定的計(jì)算誤差，Kt的計(jì)算誤差控制
在士2%左右即可，將Kt帶入Kt = IfV^T得到高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度因子，其中的
廠二去、1-今1 +去與 -O.363今+0.731吾，最后根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)
Klc或是Kls。。彡K1的判定原則得出Klc;或是Kls。。彡IiK1及Klc;或是Kls。。< IiK1。本發(fā)明是一 種理論上的安全評估方法，由于采用了有限元模擬設(shè)計(jì)，該方法具有科學(xué)性和系統(tǒng)性，且具 有簡單實(shí)用之特點(diǎn)，比測試高強(qiáng)度螺栓的機(jī)械性能上如強(qiáng)度、韌性更經(jīng)濟(jì)劃算。本發(fā)明高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)Kt主要針對的是MlOOmm以下的高強(qiáng)度螺栓， 有限元模擬設(shè)計(jì)針對的也是MlOOmm以下的高強(qiáng)度螺栓，對于MlOOmm以上的高強(qiáng)度螺栓同 樣具有借鑒作用，但評估的安全性不予保證。比如M56的16. 9級高強(qiáng)度螺栓的基本大徑D為56mm、基本小徑d為50. 046mm、 螺紋根部圓弧半徑r為0. 688mm，該高強(qiáng)度螺栓的名義軸向拉伸應(yīng)力σ為300Mpa，則該高 強(qiáng)度螺栓的螺紋最小小徑Cl1 = d-2r = 48. 670mm,螺紋深度t = (D-(I1)/2 = 3. 665mm,從
Kt=L 45437 + 1. 31034^^^、= ρκ 得出Μ56的16. 9級螺栓在嚙合第一扣處螺
紋根部的應(yīng)力集中系數(shù)Kt = 4. 479，應(yīng)力強(qiáng)度因子K1 49. 46MPa^。按GB/T4161-2007實(shí)測該高強(qiáng)度螺栓的Kle值為I96 MPa^n，按GB/ T15970. 6-1998實(shí)測該高強(qiáng)度螺栓的Klsee值為92MPaV^，該實(shí)測試驗(yàn)條件為楔形張開加
載(WOL)試樣，在3. 5%氯化鈉或溫度35士 1°C的溶液中浸泡，預(yù)加載的K1。若取安全系數(shù)η = 1.4，因此Kic= 196 MPayjm或是
K ι see = 92 MPayfen=1,4Χ 49. 46 = 69. 2 MPa“，表明該 Μ56 的
16. 9級高強(qiáng)度螺栓符合在大氣或是海洋大氣及海水環(huán)境下不發(fā)生由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的 延遲斷裂現(xiàn)象。上述理論驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用結(jié)果一致，雖然該高強(qiáng)度螺栓已在海洋大氣及海水環(huán)境下使用多年，但至今沒有發(fā)生因應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的延遲斷裂現(xiàn)象。
權(quán)利要求
一種M100mm以下高強(qiáng)度螺栓防止延遲斷裂的安全評估方法，該安全評估方法利用了下述兩個(gè)公式① <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>I</mi></msub><mo>=</mo><mi>F</mi><msub> <mi>K</mi> <mi>t</mi></msub><mi>σ</mi><msqrt> <mi>πt</mi></msqrt> </mrow>② <mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn></msub><mi>d</mi> </mfrac></msqrt><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn></msub><mi>d</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mn>3</mn> <mn>8</mn></mfrac><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>d</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>d</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>0.363</mn><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>d</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>d</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mn>0.731</mn><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>d</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>d</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>4</mn></msup><mo>]</mo> </mrow>在上述兩個(gè)公式中KI——高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度因子F——高強(qiáng)度螺栓的形狀因子Kt——高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)σ——高強(qiáng)度螺栓所受的名義軸向拉伸應(yīng)力t——高強(qiáng)度螺栓的螺紋深度，由t＝(D d1)/2而得D——高強(qiáng)度螺栓的基本大徑d——高強(qiáng)度螺栓的基本小徑d1——高強(qiáng)度螺栓的螺紋最小小徑，由d1＝d 2r所得，其中r為高強(qiáng)度螺栓螺紋根部圓弧半徑上述高強(qiáng)度螺栓是指強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)GB3098.1 2000的12.9級或是12.9級以上且形狀符合GB/192 2003、牙底形狀符合GB/T197 2003的高強(qiáng)度螺栓；其特征是M100mm以下高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)Kt與高強(qiáng)度螺栓螺紋根部圓弧半徑r和高強(qiáng)度螺栓螺紋深度t通過有限元模擬設(shè)計(jì)存在如下關(guān)系 <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mn>1.45437</mn><mo>+</mo><mn>1.31034</mn><msqrt> <mfrac><mi>t</mi><mi>r</mi> </mfrac></msqrt> </mrow>從上述公式得出不同規(guī)格高強(qiáng)度螺栓的螺紋參數(shù)r和t影響著Kt的最終取值，再結(jié)合和得到KI，結(jié)合線彈性斷裂力學(xué)K1c或是K1scc≥K1的判定原則得出M100mm以下高強(qiáng)度螺栓發(fā)生延遲斷裂的安全評估存在如下關(guān)系i、若K1c≥nK1或是K1scc≥nK1，則該高強(qiáng)度螺栓符合在大氣或是海洋大氣及海水環(huán)境下不發(fā)生由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的延遲斷裂現(xiàn)象，其中n為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，n的取值范圍控制在1.1～1.4；ii、若K1c＜nK1或是K1scc＜nK1，則該高強(qiáng)度螺栓不符合在大氣或是海洋大氣及海水環(huán)境下不發(fā)生由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生的延遲斷裂現(xiàn)象。FSA00000166717800014.tif,FSA00000166717800015.tif,FSA00000166717800021.tif
全文摘要
本發(fā)明一種M100mm以下高強(qiáng)度螺栓防止延遲斷裂的安全評估方法，該安全評估方法主要通過有限元模擬設(shè)計(jì)找出了高強(qiáng)度螺栓螺紋根部圓弧半徑r和高強(qiáng)度螺栓螺紋深度t之間的關(guān)系，這種關(guān)系的建立確定了高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)Kt，將Kt帶入得到高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力強(qiáng)度因子，最后根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)K1c或是K1scc≥K1的判定原則得出K1c或是K1scc≥nK1及K1c或是K1scc＜nK1。本發(fā)明是一種理論上的安全評估方法，由于采用了有限元模擬設(shè)計(jì)，該方法具有科學(xué)性和系統(tǒng)性，且具有簡單實(shí)用之特點(diǎn)，比測試高強(qiáng)度螺栓的機(jī)械性能上如強(qiáng)度、韌性更經(jīng)濟(jì)劃算。
文檔編號F16B35/00GK101915257SQ20101021641
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者劉軍, 寧天信, 陳繼志 申請人:洛陽雙瑞特種裝備有限公司