【科普】紧固连接结构的疲劳寿命仿真方法(基于FE-Safe)

紧固连接疲劳寿命仿真是与结构中薄弱部件的疲劳寿命紧密相关的技术。通常，为了进行这类仿真，工程师需要依赖商用的疲劳耐久分析软件。这些软件允许工程师在有限元分析的框架下获得整个结构的疲劳寿命，而不仅仅是螺栓连接。通过考虑载荷、材料特性、几何形状以及不同部件的疲劳特性，工程师可以识别潜在的疲劳问题，评估结构寿命，从而采取适当的措施来提高连接结构的可靠性。这种仿真技术在确保结构性能、安全性和寿命方面发挥着关键作用，尤其是在需要长时间运行的领域，如航空、航天和汽车工程。

对于螺栓连接结构来说，应力集中点与疲劳断裂源往往为第一圈螺纹牙的牙底。因此如果想对螺栓连接结构进行更加精确的仿真分析，必须对螺纹进行精确建模，而不是像工程中常用的方法一样将螺栓简化为圆柱体。

本文将展示一个基于FE-Safe软件的带嵌件的复合材料螺栓连接结构疲劳寿命预测仿真案例。本文使用的螺栓精确有限元模型使用Thread Designer软件生成。

FE-Safe是一款疲劳耐久分析处理软件，内置多种疲劳理论算法，功能全面先进，其疲劳寿命估算功能受到国内外学者的一致认可。FE-Safe能够考虑多种因素的影响，包括受载平均应力、应力集中、试样表面状态等，同时自带材料库和载荷谱设计功能，能够满足大部分应力应变条件下疲劳寿命预测。FE-Safe可以直接导入有限元计算结果文件进行分析，数据互通性好。

关于FE-Safe软件的具体分析操作可以查阅FE-Safe 的帮助手册，在此不做详细展开描述，但是在实际操作中发现有几个问题需要特别关注。

一是载荷谱的设置问题，符合实际工况的载荷谱设置能够更加准确地对疲劳寿命进行预测，本节的载荷谱的设置是通过提取ODB结果文件中一个循环周期中所有数据点，并将其导入FE-Safe中；

二是疲劳试验频率需要通过调整 “Properties”中“Rate”的数值来确定；三是失效准则的选取，本次疲劳寿命预测是基于SWT多轴失效准则开展的。本案例的有限元模型见下图。

有限元计算过程根据实际服役行为进行设置，设置的方法、注意事项与本合集中上一篇科普文章的静力学仿真过程一致，此处不再赘述。

将有限元计算文件导入FE-Safe并基于SWT寿命准则进行螺栓疲劳寿命的预测。下图示出了部分嵌件参数下的螺纹根部寿命云图，其中，螺栓寿命最小的部位均在螺栓第一圈啮合螺纹处，与试验中螺栓疲劳断裂的位置一致。从预测结果可以看出，不同尺寸嵌件下螺栓的疲劳寿命存在显著不同。其中d表示预压缩量，k表示嵌件壁厚。

除预测寿命云图外，FE-Safe中还可以直接导出寿命结果供使用者分析。下图示出了不同嵌件参数下螺栓预测疲劳寿命。需要指出的是，由于有限元分析软件中没有考虑到表面损伤等问题，因此螺栓疲劳寿命的预测结果与试验结果可能存在误差，但是其预测寿命中的规律性内容依旧能为实际连接结构的寿命预测提供一定参考价值。

为了验证疲劳耐久分析处理软件FE-Safe的计算结果准确性，下图示出了在不同嵌件参数下，螺栓的试验寿命与FE-SAFE中计算的疲劳寿命的对比。下图(a)示出，当预压缩量为0.05 mm时，螺栓的预测寿命均低于试验寿命；下图(b)、(c)示出，当预压缩量为0.10 mm和0.15 mm时，螺栓的预测寿命和实验寿命均大于20万次，且预测效果较好；下图(d)示出，当预压缩量为0.20 mm时，此时螺栓预测寿命固定在4.28万次，这是由于在有限元计算中，嵌件表面未能与钛合金接触，此时嵌件未能改变螺栓连接结构的受力情况，最终出现了预测寿命不变的现象。尽管实际试验和理论计算的疲劳寿命有一定的分散性，但是误差均在两倍之内，说明使用FE-Safe软件估算的螺栓疲劳寿命的合理性。

需要特别注意的是，FE-Safe软件中螺纹表面的粗糙度与螺栓疲劳预测寿命高度相关。下表示出了当不加嵌件时，不同粗糙度下的螺栓预测疲劳寿命。结果显示，随着螺纹表面粗糙度的增大，螺栓的预测疲劳寿命不断降低，当Ra=4.0 μm时，预测疲劳寿命仅为1.16万次。在实际工程应用中需要确定服役螺栓的表面粗糙度，以提高疲劳寿命预测的精确性。

本文案例展示了基于FE-Safe的紧固连接疲劳寿命仿真方法，读者也可采用其他疲劳耐久分析处理软件实现类似的分析效果。通过这种分析技术，工程师可以识别潜在的疲劳问题，评估结构寿命，从而采取适当的措施来提高连接结构的可靠性。

但需要注意的是，紧固连接结构的疲劳寿命仿真，必须采用螺栓精确有限元模型。采用简化模型无法仿真螺栓的应力集中情况，会导致寿命分析结果无意义。