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凹口螺栓断裂影响分析

2023-12-17范书立于煜斌张东东

导弹与航天运载技术 2023年5期
关键词:凹口伸长率螺栓

董 震,范书立,于煜斌,张东东

(1.大连理工大学,大连,116024;2.北京宇航系统工程研究所,北京,100076)

0 引言

凹口螺栓是无火工分离装置中的常用部件,是装置安装时起紧固作用的承载件,同时也是装置的分离件,其凹口处的直径小于螺杆光杆段、螺纹段以及凹口两侧过渡段的直径,承载力相对较低,目的是在受到一定冲击力的作用时,螺栓凹口处发生断裂,保证分离的可靠性。由于凹口处存在直径突变,并受到过渡段的影响,所以对凹口进行力学分析是比较复杂的工作,即便通过单轴拉伸试验拉断凹口螺栓,凹口处仍然处于复杂应力状态[1]。

目前国内外学者对于螺栓断裂进行了大量的试验和数值模拟。Johnson 和Cook[2]对铜、铁、钢3 种金属进行霍普金森杆试验,并对具有各种几何形状缺口的试件进行准静态拉伸试验,提出了一个以应力三轴度、应变率、温度为材料断裂失效准则的经验性本构模型;Bai 等[3]对铝合金2024-T351 材料进行了圆柱压缩试验、带有缺口的圆棒拉伸试验和平板槽口拉伸试验,获得了Lode 角参数对断裂性能的影响;Rice等[4]研究了孔洞的增长问题,推导出了孔洞体积的增长率与应力三轴度之间的关系,并提出了一类以孔洞增长为基础的模型;Muhammad[5]建立了在冲击荷载作用下的螺栓分析模型,并考虑了多裂纹扩展的情况,此模型可以预测螺栓的峰值承载能力,并对峰值前后的破坏机理进行模拟;Liao 等[6]应用GTN 模型和渐进损伤模型,通过单轴拉伸试验确定损伤模型参数,预测高强螺栓的断裂载荷;胡昌明等[7]对45 号钢在不同的温度和应变率下进行试验,分析了应力应变关系的变化,深入研究了材料的动态力学性能,并修正了J-C本构模型的应变率参数;陈刚等[8]用缺口试件研究不同应力状态下的材料力学性能,并分析了其对材料失效应变的影响;Kirby等[9]对8.8级螺栓进行了单向拉伸和双向剪切试验,研究了温度变化对于螺栓受力性能的影响;Hu等[10]对拉伸载荷作用下的高强螺栓进行了力学性能试验,确定了两种结构螺栓的失效方式,并通过有限元分析计算,得到内外部螺纹的配合度对螺栓拉伸失效机制的影响。国内外学者对于螺栓的断裂进行了深入的研究,但是在凹口螺栓方面的研究较少,因此,对凹口螺栓进行试验和分析具有重要的工程意义。

本文基于断裂力学理论,对凹口螺栓进行拉伸试验,研究凹口螺栓的力学性能和断裂特性,观察断裂位置,分析凹口螺栓中的凹口长度、角度、深度以及加载速率对螺栓断裂性能的影响。

1 断裂理论

1.1 Ⅰ型裂纹应力位移场

Ⅰ型裂纹应力位移场的裂纹坐标如图1所示。

图1 裂纹坐标Fig.1 Crack coordinate chart

对于Ⅰ型裂纹问题,用极坐标系(r1,θ1)和(r2,θ2)来表示任一点到裂纹尖端的距离,在裂纹尖端附近有[11]:

裂尖渐进应力分量:

位移分量:

式中K1为Ⅰ型裂纹应力强度因子;G为剪切模量;ν为泊松比;σxx,σyy,σxy为各个方向的应力分量;u,w为位移分量。

1.2 断裂判据

断裂韧度KC是材料的一种固有属性,表示材料抵抗裂纹扩展的能力,裂纹在外荷载作用下,当材料的应力强度因子K达到临界值KC时,裂纹失稳扩展。大多数材料的断裂韧度会随着材料厚度的增加而降低,也与材料的环境、温度、属性、加载条件等多方面因素有关。

基于断裂韧性建立断裂准则,含裂纹的弹性体在外载荷作用下,当裂纹尖端的应力强度因子不小于其断裂韧度时,裂纹就会失稳扩展,进而导致弹性体破坏。Ⅰ型裂纹的断裂准则为

1.3 断裂伸长率

断裂伸长率是指材料在受到外力作用时,受到拉伸力伸长直至断裂,拉伸断裂后的伸长长度与原总长度的比值。断裂伸长率表示为[12]

式中e为断裂伸长率;L0为试件原长度;La为试件拉伸断裂后的总长度。

对于金属材料,一般会要求材料具有较高的断裂强度和较低的断裂伸长率,这样材料的试件或结构不容易发生变形,以保证其在使用时的安全性。

2 凹口螺栓试验

2.1 凹口螺栓试件设计

本试验以304 钢圆柱作为试验对象,设计了8 种凹口螺栓试样,根据螺栓的直径分为Φ15 mm 和Φ20 mm两类试件,每类分为4组:a组为基准试件;b组试件改变凹口角度,和基准试件进行对比,研究凹口角度的影响;c组试件改变凹口长度,和基准试件进行对比,研究凹口长度的影响;d 组试件改变凹口深度,和基准试件进行对比,研究凹口深度的影响。

Φ15 mm 的a 组试件除了作为基准试件,还要通过改变加载速度对螺栓断裂性能影响的研究,此组试件9个,其余组试件各3个,共加工了30个凹口螺栓试件,各试件信息如表1所示。

表1 凹口螺栓试件信息Tab.1 Notched bolt test piece information

2.2 试验设备及数据采集

采用2 000 kN万能试验机进行加载,试验过程中系统自动采集力和位移数据,数据采样频率最大可达1 kHz,并自动求取上屈服强度、下屈服强度、延伸强度、抗拉强度和弹性模量等参数。同时采用自主研发的光线采集设备,进行凹口螺栓的应变采集,设备具有8个通道,采样频率达到2 MHz。

将试件放入试验机夹具中,如图2所示,试件上下两端分别夹持50 mm,以保证螺栓和夹具之间不会产生滑移。通过试验机对螺栓施加向下的拉力,通过试验机本身的控制系统以及光纤应变采集系统采集试验数据。

图2 万能试验机Fig.2 Universal testing machine

3 试验结果分析

3.1 变形断面特性分析

除了凹口处长度为5 mm 的Φ15 mm 螺栓外,螺栓断裂时出现一定的颈缩现象,断口两部分能够较好匹配,表现出脆性断裂特性。Φ20 mm 的螺栓比Φ15 mm 的螺栓表现出的脆性更加明显。从拉伸断口的位置看,均处于直径突变处,个别螺栓在中间段两端出现开裂的现象,螺栓的断裂形式和数值模拟基本相似。凹口处长度为5 mm 的Φ15 mm 螺栓表现出对比其他螺栓不同的断裂特性,出现了在凹口中间部位断裂的情况,且颈缩现象较为明显,3 个试件的断裂形式也有较明显的差异。凹口螺栓试件断裂、凹口螺栓变形断裂分别如图3、图4所示。

图3 凹口螺栓试件断裂图Fig.3 Fracture of notched bolt specimen

图4 凹口螺栓变形断裂Fig.4 Notch bolt deformation fracture diagram

3.2 影响因素分析

3.2.1 凹口长度影响分析

将Φ15 mm的a、c组与和Φ20 mm的a、c组进行对比分析,从试件断裂形式可以看出,中间长度的增大使得螺栓颈缩现象加剧,造成了螺栓断裂伸长率的增大,Φ15 mm 比Φ20 mm 颈缩现象更加突出,该结论也可以从螺栓的应力应变曲线图中(见图5)得到验证。因此螺栓直径越大,脆性断裂现象越明显,主要原因是直径大的螺栓断裂时施加在螺栓上的拉力较大,一旦某个部位出现裂纹会导致螺栓局部应力快速释放,裂纹发展速度加快。

图5 a、c组应力应变曲线Fig.5 Group a、c stress-strain curve

3.2.2 凹口角度影响分析

将Φ15 mm的a、b组和Φ20 mm的a、b组进行对比分析。从断裂形式上看,这一组的个别试件出现了凹口段两端断裂的情况,因此凹口角度对螺栓的断裂位置及形式具有一定影响。a、b 组应力应变曲线如图6 所示,从图6 可知,凹口角度越大,螺栓断裂时的强度越大,同时,凹口角度的增大会增大断裂伸长率。

图6 a、b组应力应变曲线Fig.6 Group a、b stress-strain curve

3.2.3 凹口/螺栓直径比影响分析

将Φ15 mm 的a 组(凹口/螺栓直径比为0.67)、d组(凹口/螺栓直径比为0.33)和Φ20 mm 的a 组(凹口/螺栓直径比为0.75)、d 组(凹口/螺栓直径比为0.5)进行对比分析。a、d 组应力应变曲线如图7 所示,从断裂形式可以看出,凹口深度对螺栓的断裂位置和形式有较大影响,Φ15 mm 的d 组由于凹口段过细而出现了中部断裂的情况,且出现明显颈缩现象,从图7可看出,凹口深度的增大会较大程度地减小断裂伸长率。

图7 a组、d组应力应变曲线Fig.7 Group a and d stress-strain curve

3.2.4 加载速率影响分析

将Φ15 mm的a组(加载速度为0.000 5 mm/s)和改变加载速度后的Φ15 mm 的a-v(加载速度为0.002 5 mm/s)进行对比分析。a、a-v 组应力应变曲线如图8所示。从断裂形式上来看,加载速率的变化对螺栓断裂的位置及形式影响不大。但从图8上看,加载速率越快,螺栓断裂时的强度越大,变形也越大。

图8 a组、a-v组应力应变曲线Fig.8 Group a and a-v stress-strain curve

4 结论

本文基于断裂力学,通过改变凹口长度、凹口角度、凹口深度设计了8种凹口螺栓试件,对试件进行了拉伸和改变加载速率的试验,研究了不同参量对于凹口螺栓断裂性能的影响。主要研究结论如下:

a)凹口螺栓断裂会出现一定的颈缩现象,断口两侧能够较好地匹配,符合脆性断裂的特征,螺栓的直径越大这种特征就越明显,螺栓的断裂位置一般处于凹口的上端,也就是靠近施加荷载的一侧,对于凹口长度5 mm的Φ15 mm的d组,由于直径过小,个别试件表现出了不同的断裂特性,出现了中部断裂的情况。

b)凹口长度增大会加剧螺栓的颈缩现象,使得凹口螺栓的断裂伸长率增大;凹口角度增大会使得螺栓断裂时的强度增大,也会增大断裂伸长率;凹口深度增大使螺栓的凹口处长度减小,会较大程度地减小断裂伸长率;加载速率的加快会使螺栓断裂时的强度增大,并增大断裂伸长率。

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