導(dǎo)論

近日，陜西省沖擊動力學(xué)及工程應(yīng)用重點實驗室李玉龍教授團(tuán)隊系統(tǒng)地對螺紋連接結(jié)構(gòu)在寬率域力學(xué)響應(yīng)和相關(guān)機(jī)理、以及螺紋連接結(jié)構(gòu)在沖擊疲勞下的失效行為和機(jī)理進(jìn)行了深入研究，取得了系列發(fā)現(xiàn)，相關(guān)成果分別發(fā)表在國際Top期刊《Thin-Walled Structures》和《Engineering Failure Analysis》上，論文的題目分別為“Mechanical Behaviour and Failure Mechanism of 7075 Aluminium Alloy Threaded Connections under Wide Loading Rate“和" Failure Behaviours of Steel/Aluminium Threaded Connections under Impact Fatigue“。

論文的第一作者均為西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院2023級二年級碩士研究生張晨旭，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院苗應(yīng)剛副教授為通訊作者，研究過程中得到了李玉龍教授、湯忠斌副教授、豆清波副研究員和趙峰副教授的悉心指導(dǎo)和幫助。該工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、陸空基信息感知與控制全國重點實驗室開放基金項目和中國航空科學(xué)基金的資助。

1.內(nèi)容簡介

螺紋連接件具有裝配方便、可重復(fù)使用、性能可靠等優(yōu)點，是工程結(jié)構(gòu)中的重要部件。然而，在服役過程中，它們易受沖擊載荷作用，并因局部應(yīng)力集中而引發(fā)潛在破壞，導(dǎo)致過早失效。因此，采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究螺紋連接件在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)及其沖擊疲勞失效行為至關(guān)重要。

螺紋連接結(jié)構(gòu)在寬率域下的力學(xué)響應(yīng)和相關(guān)機(jī)理的研究主要針對M10的7075-Al螺紋連接結(jié)構(gòu)，對其螺紋連接的長度和螺紋的齒距對螺紋連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的影響進(jìn)行了深入研究，并提出了一種等效應(yīng)力應(yīng)變的計算方法。通過電子萬能試驗機(jī)和改進(jìn)后分離式Hopkinson拉桿系統(tǒng)完成了螺紋連接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)測試（如圖1），全面探究了螺紋連接結(jié)構(gòu)在寬率域下的力學(xué)響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)：螺紋連接長度顯著影響結(jié)構(gòu)的承載能力與失效模式；而螺距則主要影響其抗剪切破壞能力。

圖1. 螺紋連接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)測試(a)和動態(tài)測試(b)

由于螺紋連接結(jié)構(gòu)在試驗過程中無法觀察，因此針對準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)測試得到的螺紋連接結(jié)構(gòu)在寬率域下的力學(xué)響應(yīng)的結(jié)果，使用有限元建模和仿真的手段（如圖2）對相關(guān)機(jī)理進(jìn)行分析。

圖2. 螺紋連接結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型(a)；仿真的失效效果(b)與試驗的失效結(jié)果(c)對比

螺紋連接結(jié)構(gòu)在沖擊疲勞下的失效行為和相關(guān)機(jī)理的研究主要是使用一種基于應(yīng)力波傳導(dǎo)的新型加載方法，以實現(xiàn)螺紋連接結(jié)構(gòu)的1 kHz頻率的可控沖擊疲勞加載。該裝置的原理示意圖如圖3所示。如圖4是典型沖擊疲勞作用下入射桿和透射桿的應(yīng)力波的傳播歷史，對螺紋連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了頻率高達(dá)1033 Hz的循環(huán)沖擊加-卸載過程。

圖3. 沖擊疲勞試驗系統(tǒng)部件參數(shù)及原理示意圖

圖4. 典型沖擊疲勞作用下入射桿和透射桿的應(yīng)力波的傳播歷史

基于該沖擊疲勞試驗系統(tǒng)得到了四圈M8×1.0鋼/鋁螺紋連接結(jié)構(gòu)在1033 Hz的S-N曲線，結(jié)果如圖5。結(jié)果表明，鋼/鋁螺紋連接結(jié)構(gòu)的載荷與疲勞壽命呈對數(shù)線性關(guān)系。借助有限元建模和仿真對鋼/鋁螺紋連接結(jié)構(gòu)在沖擊疲勞下的失效行為進(jìn)行了解釋，如圖6所示。

圖5. 四圈M8×1.0鋼/鋁螺紋連接結(jié)構(gòu)在1033 Hz的S-N曲線

圖6. 鋼-鋁螺紋連接仿真結(jié)果，(a)鋼內(nèi)螺紋應(yīng)變分布輪廓，(b) 鋁外螺紋應(yīng)力分布輪廓，(c)螺紋上標(biāo)記的四個位置，(d)四個位置輸出的應(yīng)力-時間曲線。

2.結(jié)論

該工作對螺紋連接的長度和螺紋的齒距對螺紋連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的影響進(jìn)行了深入研究，借助電子萬能試驗機(jī)和改進(jìn)后分離式Hopkinson拉桿系統(tǒng)，獲取了不同螺紋連接長度與螺距下的寬率域載荷—位移曲線，并提出等效應(yīng)力-應(yīng)變歸一化方法，實現(xiàn)了對承載效率的快速評估。研究發(fā)現(xiàn)，7075鋁合金螺紋連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度對加載速率依賴性極弱；螺紋連接長度顯著影響結(jié)構(gòu)的承載能力與失效模式，而螺距主要影響其抗剪切破壞能力。此外，使用了一種基于應(yīng)力波傳導(dǎo)的新型可控沖擊疲勞加載技術(shù)，實現(xiàn)鋼/鋁螺紋連接結(jié)構(gòu)的1033Hz頻率的可控沖擊疲勞加載，揭示了疲勞壽命對沖擊載荷幅值高度敏感，驗證了該加載方法在螺紋連接結(jié)構(gòu)沖擊疲勞性能表征中的可行性。同時，借助有限元建模與仿真技術(shù)，對螺紋連接結(jié)構(gòu)的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了定量地分析與研究。本研究不僅完善了螺紋連接結(jié)構(gòu)的性能評估與疲勞壽命預(yù)測方法，也為其服役性能優(yōu)化與抗沖擊疲勞設(shè)計提供了可靠依據(jù)。