文献综述

1.1引言

螺栓是机构中最重要的零件之一。螺纹连接结构是机械工程中广泛使用的紧固结构,如在飞机、汽车、压力容器、化工机器和矿山机械中,螺栓作为重要的连接件,常常影响工程构件的安全性与可靠性。由于螺纹连接几何形状的载荷条件的复杂性，所以螺纹局部会出现很高的局部应力和应变。尤其是在动载荷作用下的螺纹连接件，经常会出现疲劳破坏。螺栓的失效会造成严重的后果，可能会造成大量的经济损失和人身伤亡事故。例如，2003年6月新疆某公园内一大型游乐设施阿拉伯飞毯因为一个小螺栓的失效，支撑工字梁变形，使乘客舱一侧严重倾斜。由此可知，提高螺纹连接件在动载荷作用下的抗疲劳性能，延长其疲劳寿命，显得非常迫切。所以，本课题的主要任务是：在前人研究的基础上进一步研究改善螺栓抗疲劳性能的方法，使其更好的满足生产和生活。

1.2螺栓抗疲劳寿命的研究

国内外螺栓疲劳寿命的研究主要集中在螺栓所受应力，工作环境，材料和螺栓外形等因素对螺栓疲劳寿命的影响^[1]。

1.2.1疲劳破坏机理的研究

疲劳是指在某点或某些点承受交变应力，且在足断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。由于交变载荷的作用，构件一开始使用就进入疲劳的发展过程，裂纹萌生和发展是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的终结。这一发展过程所经历的时间或交变循环载荷作用的次数，称为”寿命” ^[2]。它不仅取决于载荷水平，还依赖于循环作用次数或时间，取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。使构件在有限长设计寿命内不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计方法(safe#8212;life design)或有限寿命设计。材料的S#8212;N曲线和Miner积累损伤理论，是安全寿命设计的基础。当然，考虑到疲劳破坏的分散性等不确定因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备^[3]。

一般来说，影响螺纹紧固件疲劳寿命的因素有很多，如几何形状，预紧力，材料性能，表面粗糙度，坏境因数和热处理等。然而，在设计时并不把这些参量作为变量来处理，因为，材料的性能越好，其疲劳强度越高。换言之，优化结果总是将这些因素放在上限，采用较好的改进措施可以有效的提高其疲劳寿命（勒飞弗尔等，2002）。在这些所有的因素中，几何形状和预紧力被看着可以进一步被优化的因素^[4]。目前对于疲劳机理的研究主要是针对螺栓的结构，受载情况，预紧力大小等几个方面。

在机械工程中，机械构件的各组成部分，通常采用不同类型的方式进行连接如桥梁结构中，钢板之间常用铆钉连接传动轴和齿轮之间常用键连接、螺栓、销钉的连接等。这些起连接作用的铆钉、螺栓、销钉、键等统称为连接件。螺栓连接件广泛应用在日常生活和机械工程中，而且螺栓连接在工作过程经常出现变形、甚至丧失工作能力，其主要原因是由于切应力和挤压应力的作用^[5]。

预紧力对螺栓疲劳寿命的影响。螺纹紧固件是很普通的零件，但它的形状复杂，而且螺旋副的接触和润滑状态更是难以预测和控制，由于其几何参数、表面质量、润滑状态等的可变性，导致了预紧力的离散性^[6]。即使在同一天，由同一操作者，用同一工具，以同样的扳拧力矩去拧同样材料、经同样处理、同一批生产的紧固件，每个紧固件的预紧力却是不一样的。正是由于螺栓预紧力的离散性，导致了螺栓疲劳寿命的离散性，用户的生产实际也证明了这一点，有的螺栓寿命只有15天，有的螺栓寿命可达半年^[7]。