专利名称：M100mm以下高强度螺栓防止延迟断裂的安全评估方法
技术领域：
本发明属于螺栓安全评估技术领域，尤其是对环境为大气、海洋大气及海水环境 下使用的12. 9级及以上螺栓的一种MlOOmm以下高强度螺栓防止延迟断裂的安全评估方法。
背景技术：
对于应用在大气、海洋大气及海水环境下的12. 9级及以上螺栓，由于使用环境的 恶化，螺栓的延迟断裂问题十分突出。延迟断裂是指在静止应力作用下的螺栓经过一定时 间使用后突然使其材料组织发生脆性破坏的一种现象。这种现象是材料——环境——应力 相互作用而发生的一种环境脆化，是氢致材质恶化(或称氢损伤或氢脆)的一种形态。当 螺栓的抗拉强度大于1200MPa时其延迟断裂的敏感性显著增大，且在承受比屈服强度低得 多的静止应力作用下就可能发生延迟断裂。螺栓在使用过程中，螺纹间轴向受力分布的不均勻性，导致螺栓螺纹根部的应力 集中程度不同，在螺栓啮合的第一扣处也就是螺纹根部的应力最大，应力集中也最严重，随 后几扣螺纹根部应力逐步降低，因而螺纹最容易从第一扣处发生断裂，尤其是在外部环境 比较恶化的情况下，更容易发生延迟断裂现象，据统计绝大多数螺栓的断裂发生在与螺母 啮合的第一扣螺纹根部处。目前对于高强度螺栓的安全校核基本采用以下两种方法①多数采用强度校核，通过加大强度安全系数来设计高强度螺栓，然而由于延迟 断裂问题的产生，对于12. 9级及以上高强度螺栓是不合适的；②在满足基本强度的基础上，采用KIs。。等不同的强度因子并利用线弹性断裂力学 理论即Kle或是KIS。。彡K1来判断其安全使用性。Klc是大气环境下高强度螺栓的平面应变断裂韧性，Klscc是海洋大气及海洋环境 环境下高强度螺栓的应力腐蚀破裂敏感性的界限应力强度因子，所述Kls。。的定义是狭义定 义，Kls。。的广义定义是指在任何腐蚀环境下高强度螺栓的界限应力强度因子，K1是高强度螺 栓的应力强度因子。K1。值或Kls。。值可以通过断裂力学试验来测定，K1。和Kls。。的取值单位 常用MPiTv/i表示。然而对于K1值，由于螺栓螺纹结构及受力情况等相关因子的不同其K1 值很难确定，至今未在理论上找到解决的办法。高强度螺栓的机械性能，比如强度或是韧性是可以通过机械测试而获得的。
发明内容
为了找到K1的相关因子并建立高强度螺栓防止发生延迟断裂的理论评估方式，本 发明提供了一种MlOOmm以下高强度螺栓防止延迟断裂的安全评估方法，该安全评估方法 是一种理论计算上的评估方法，通过对MlOOmm以下各种规格的12. 9级及以上高强度螺栓 的应力强度因子1^进行科学分析得出精确计算，而后根据线弹性断裂力学K1。或是KlsraSK1 的判定原则，作出MlOOmm以下高强度螺栓在大气或是海洋大气及海水环境下不会发生延
3迟断裂的理论安全评估。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案
本发明的MlOOmm以下高强度螺栓防止延迟断裂的安全评估方法利用了下述两个公式
在上述两个公式中
K、一一高强度螺栓的应力强度因子
F一一高强度螺栓的形状因子
K+一一高强度螺栓的应力集中系数
。一一高强度螺栓所受的名义轴向拉伸应力
七一一高强度螺栓的螺纹深度，由七一(D—d、)／2而得
D一一高强度螺栓的基本大径
d一一高强度螺栓的基本小径
d、一一高强度螺栓的螺纹最小小径，由d、一d一2r所得，其中r为高强度螺栓螺纹根部圆弧半径
上述高强度螺栓是指强度符合标准GB3098．卜2000的l 2．9级或是l 2．9级以上且形状符合GB／192—2003、牙底形状符合GB／T197—2003的高强度螺栓。
本发明的MlOOmm以下高强度螺栓的应力集中系数K+与高强度螺栓螺纹根部圆弧半径r和高强度螺栓螺纹深度t通过有限元模拟设计存在如下关系
从上述公式得出不同规格高强度螺栓的螺纹参数r和t影响着K+的最终取值，再结合，小卜婣+婣一0．363[外”3谢入水o．乒得到K，结合线弹性断裂力学K、。或是K1SC。≥K、的判定原则得出MlOOmm以下高强度螺栓发生延迟断裂的安全评估存在如下关系
i、若K、。≥nK、或是K1SC。≥nK、，则该高强度螺栓符合在大气或是海洋大气及海水环境下不发生由于应力腐蚀而产生的延迟断裂现象，其中n为设计安全系数，n的取值范围控制在1．1一1．4；
i i、若K、。<nK、或是K1SC。<nK、，则该高强度螺栓不符合在大气或是海洋大气及海水环境下不发生由于应力腐蚀而产生的延迟断裂现象。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性
l、通过对高强度螺栓螺纹进行有限元受力分析，确定出了高强度螺栓的应力强度因子K，再根据线弹性断裂力学判定原理得出K、。或是K1SC。与K之间的关系，使高强度螺栓的安全评估具有准确、可靠之特点。
2、本发明方法可靠，计算简便，为评估高强度螺栓的延迟断裂找到了理论依据。
具体实施例方式对于高强度螺栓，Klc值是根据标准GB/T4161-2007而实测所得的，Klscc值是根据 标准GBT/15970. 6-1998而实测所得的。影响Kle及Klsee测试值的因素很多，如成分范围波 动、不同制造工艺条件、不同使用条件等。影响K1值的因素为螺栓在制造过程中形状无法 保持完全一致，每个螺栓所受应力的不一致，为确保高强度螺栓使用过程中的安全性，因此 这时应考虑安全系数η的取值范围，通过不同安全系数η的取值来消除由于螺栓在成分范 围波动、不同制造工艺条件、不同使用条件等带来的K1。或Kls。。值的测试偏差及K1值的计算 偏差。本发明主要通过有限元模拟设计找出了高强度螺栓螺纹根部圆弧半径r和 高强度螺栓螺纹深度t之间的关系，这种关系的建立确定了高强度螺栓的应力集中系
数Kt，Kt=I. 45437 + 1. 31034#，允许Kt有一定的计算误差，Kt的计算误差控制
在士2%左右即可，将Kt带入Kt = IfV^T得到高强度螺栓的应力强度因子，其中的
厂二去、1-今1 +去与 -O.363今+0.731吾，最后根据线弹性断裂力学
Klc或是Kls。。彡K1的判定原则得出Klc;或是Kls。。彡IiK1及Klc;或是Kls。。< IiK1。本发明是一 种理论上的安全评估方法，由于采用了有限元模拟设计，该方法具有科学性和系统性，且具 有简单实用之特点，比测试高强度螺栓的机械性能上如强度、韧性更经济划算。本发明高强度螺栓的应力集中系数Kt主要针对的是MlOOmm以下的高强度螺栓， 有限元模拟设计针对的也是MlOOmm以下的高强度螺栓，对于MlOOmm以上的高强度螺栓同 样具有借鉴作用，但评估的安全性不予保证。比如M56的16. 9级高强度螺栓的基本大径D为56mm、基本小径d为50. 046mm、 螺纹根部圆弧半径r为0. 688mm，该高强度螺栓的名义轴向拉伸应力σ为300Mpa，则该高 强度螺栓的螺纹最小小径Cl1 = d-2r = 48. 670mm,螺纹深度t = (D-(I1)/2 = 3. 665mm,从
Kt=L 45437 + 1. 31034^^^、= ρκ 得出Μ56的16. 9级螺栓在啮合第一扣处螺
纹根部的应力集中系数Kt = 4. 479，应力强度因子K1 49. 46MPa^。按GB/T4161-2007实测该高强度螺栓的Kle值为I96 MPa^n，按GB/ T15970. 6-1998实测该高强度螺栓的Klsee值为92MPaV^，该实测试验条件为楔形张开加
载(WOL)试样，在3. 5%氯化钠或温度35士 1°C的溶液中浸泡，预加载的K1。若取安全系数η = 1.4，因此Kic= 196 MPayjm或是
K ι see = 92 MPayfen=1,4Χ 49. 46 = 69. 2 MPa“，表明该 Μ56 的
16. 9级高强度螺栓符合在大气或是海洋大气及海水环境下不发生由于应力腐蚀而产生的 延迟断裂现象。上述理论验证与实际应用结果一致，虽然该高强度螺栓已在海洋大气及海水环境下使用多年，但至今没有发生因应力腐蚀而产生的延迟断裂现象。
权利要求
一种M100mm以下高强度螺栓防止延迟断裂的安全评估方法，该安全评估方法利用了下述两个公式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>在上述两个公式中KI——高强度螺栓的应力强度因子F——高强度螺栓的形状因子Kt——高强度螺栓的应力集中系数σ——高强度螺栓所受的名义轴向拉伸应力t——高强度螺栓的螺纹深度，由t＝(D d1)/2而得D——高强度螺栓的基本大径d——高强度螺栓的基本小径d1——高强度螺栓的螺纹最小小径，由d1＝d 2r所得，其中r为高强度螺栓螺纹根部圆弧半径上述高强度螺栓是指强度符合标准GB3098.1 2000的12.9级或是12.9级以上且形状符合GB/192 2003、牙底形状符合GB/T197 2003的高强度螺栓；其特征是M100mm以下高强度螺栓的应力集中系数Kt与高强度螺栓螺纹根部圆弧半径r和高强度螺栓螺纹深度t通过有限元模拟设计存在如下关系 <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>从上述公式得出不同规格高强度螺栓的螺纹参数r和t影响着Kt的最终取值，再结合和得到KI，结合线弹性断裂力学K1c或是K1scc≥K1的判定原则得出M100mm以下高强度螺栓发生延迟断裂的安全评估存在如下关系i、若K1c≥nK1或是K1scc≥nK1，则该高强度螺栓符合在大气或是海洋大气及海水环境下不发生由于应力腐蚀而产生的延迟断裂现象，其中n为设计安全系数，n的取值范围控制在1.1～1.4；ii、若K1c＜nK1或是K1scc＜nK1，则该高强度螺栓不符合在大气或是海洋大气及海水环境下不发生由于应力腐蚀而产生的延迟断裂现象。FSA00000166717800014.tif,FSA00000166717800015.tif,FSA00000166717800021.tif
全文摘要
本发明一种M100mm以下高强度螺栓防止延迟断裂的安全评估方法，该安全评估方法主要通过有限元模拟设计找出了高强度螺栓螺纹根部圆弧半径r和高强度螺栓螺纹深度t之间的关系，这种关系的建立确定了高强度螺栓的应力集中系数Kt，将Kt带入得到高强度螺栓的应力强度因子，最后根据线弹性断裂力学K1c或是K1scc≥K1的判定原则得出K1c或是K1scc≥nK1及K1c或是K1scc＜nK1。本发明是一种理论上的安全评估方法，由于采用了有限元模拟设计，该方法具有科学性和系统性，且具有简单实用之特点，比测试高强度螺栓的机械性能上如强度、韧性更经济划算。
文档编号F16B35/00GK101915257SQ20101021641
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者刘军, 宁天信, 陈继志 申请人:洛阳双瑞特种装备有限公司