摩擦型高強螺栓連接被廣泛應用于土木工程中,結構長期承受循環(huán)外荷載時,需要考慮疲勞作用對結構的影響。摩擦型高強螺栓連接結構的疲勞破壞往往歸因于連接板的微動疲勞破壞,與普通疲勞不同,微動疲勞承受循環(huán)荷載和微動的共同作用,微動作用會減低構件的疲勞壽命。本文通過試驗測得8組Q460C鋼、10.9級摩擦型高強螺栓單面連接件的微動疲勞壽命及斷口形貌。為了建立微動疲勞裂紋壽命模型,將總疲勞壽命分為裂紋擴展壽命和萌生壽命兩部分,通過建立有限元模型,對高強鋼連接件進行了疲勞分析,并考慮了接觸面粗糙度對微動疲勞的影響,主要工作如下:（1）進行摩擦型高強螺栓單面搭接連接疲勞試驗,得到疲勞壽命及斷口形貌。通過分析電鏡掃描得到的圖片,可以判斷其為微動疲勞破壞,并且得到了裂紋擴展的路徑。（2）首先基于試件疲勞斷口激光掃描試驗數(shù)據(jù)對斷裂面進行三維數(shù)值建模,將所得裂紋數(shù)值模型導入ABAQUS得到裂紋擴展有限元模型,采用Python編程實現(xiàn)了三維裂紋動態(tài)擴展疲勞壽命分析,最終得到微動裂紋擴展壽命和裂紋擴展路徑。（3）掃描測定裂紋萌生區(qū)附近的接觸面獲得粗糙度參數(shù)R_a,基于疲勞試驗總壽命和擴展壽命之差... 

【文章來源】：西安建筑科技大學陜西省

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

彗星號飛機蒙皮微動疲勞破壞

西安建筑科技大學碩士學位論文2輪表面萌生出微裂紋，微裂紋不斷擴展直至鋼輪爆裂，最終導致悲劇發(fā)生。圖1.1彗星號飛機蒙皮微動疲勞破壞圖1.2德國ICE高鐵車出軌事故近些年來，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，大量的工業(yè)和民用建筑相繼拔地而起，其中鋼結構由于具有強度高、強重比大、施工速度快等優(yōu)點而被廣泛應用于各種復雜結構中。其中一些鋼結構由于長期承受動力荷載需要考慮疲勞的影響，如空冷結構，學者們對此做了大量研究[1-2]。目前焊縫連接和螺栓連接是鋼結構常用的連接方法。焊接結構由于殘余應力的存在不宜承受動力荷載。承壓型高強螺栓連接結構在承受動力荷載時會產(chǎn)生較大的剪切變形因此也不適用于直接承受動力荷載的結構。而摩擦型高強螺栓連接結構在承受動力荷載時不易松動并且具有連接可靠、現(xiàn)場作業(yè)快、受力性能良好、易拆除等諸多優(yōu)點。摩擦型高強螺栓連接件有成對的接觸面，在疲勞荷載的作用下，接觸面之間會發(fā)生相互錯動，這種錯動會造成結構中的連接件提前斷裂，大幅減少結構的疲勞壽命，這種情況屬于微動疲勞的研究范疇。研究微動疲勞需要從試驗和理論兩個方面進行。在試驗方面，目前微動疲勞試驗主要集中于機械和航空領域，以合金材料為主要研究對象，但在土木工程領域，大型鋼結構的主要材料為高強鋼，因此以高強鋼連接件為研究對象的微動疲勞試驗更具有工程意義；在理論方面，微動疲勞是一個非常復雜的交叉課題，既涉及微動磨損也涉及疲勞。目前在實際工程中主要通過擬合疲勞壽命曲線來估算微動疲

西安建筑科技大學碩士學位論文5續(xù)微動作用下，蝕坑底部逐漸萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在荷載和微動的共同作用下不斷擴展直至結構失效，微動疲勞破壞的全過程如下圖所示[4]：（a）滑移帶產(chǎn)生（b）微裂紋萌生（c）疏松區(qū)出現(xiàn)（d）大裂紋萌生圖1.5微動疲勞破壞示意圖裂紋擴展階段可分為裂紋成核階段、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段、裂紋失穩(wěn)擴展階段。在裂紋成核階段，裂紋主要在材料表面擴展沒有貫穿整個截面，此時影響裂紋擴展的主要因素是外荷載和表面微動作用，裂紋與接觸面呈45度角方向擴展。在裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段，裂紋擴展到材料內(nèi)部并貫穿整個截面，此時影響裂紋穩(wěn)態(tài)擴展的主要因素是外荷載，表面微動作用對裂紋穩(wěn)態(tài)擴展的影響可以忽略不計，裂紋與接觸面呈垂直方向擴展。在裂紋失穩(wěn)擴展階段，裂紋會迅速擴展，隨后導致材料斷裂，這個階段的持續(xù)時間非常短。圖1.6微動裂紋擴展圖學者們提出了很多關于微動損傷作用機理的理論[5-6]，其中比較重要的觀點如下：（1）分子磨損理論Tomlinson從分子運動的角度解釋了微動磨損現(xiàn)象，他認為在循環(huán)荷載和垂直壓力的共同作用下，接觸面之間的應力值接近范德華力，相互接觸的分子層由于分子間的吸引力將脫離母體，從而導致材料表面出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。但是分子磨損理論具有很大的局限性對一些微動磨損現(xiàn)象無法做出合理的解釋，因此分子磨損理論被

【參考文獻】：
期刊論文
[1]三維表面粗糙度的表征和應用[J]. 何寶鳳,魏翠娥,劉柄顯,丁思源,石照耀.  光學精密工程. 2018(08)
[2]考慮粗糙度參數(shù)Ra影響的齒根彎曲疲勞壽命計算[J]. 賀迪,唐進元,李國文,周煒.  機械傳動. 2018(08)
[3]基于擴展有限元法的齒根裂紋擴展規(guī)律[J]. 許德濤,唐進元,周煒.  中南大學學報(自然科學版). 2016(08)
[4]表面粗糙度對三維應力集中系數(shù)及疲勞壽命的影響[J]. 廖智奇,吳運新,袁海洋.  中國機械工程. 2015(02)
[5]雙粗糙面滑動過程摩擦因數(shù)的變化分析[J]. 賴聯(lián)鋒,高誠輝,黃健萌.  中國機械工程. 2014(15)
[6]雙粗糙面滑動過程考慮黏著時的摩擦學性能分析[J]. 賴聯(lián)鋒,高誠輝,黃健萌.  中國機械工程. 2014(04)
[7]空冷風機橋架疲勞壽命分析[J]. 徐亞洲,白國良.  地震工程與工程振動. 2013(03)
[8]基于XFEM的鋼筋混凝土梁開裂數(shù)值模擬[J]. 楊濤,鄒道勤.  浙江大學學報(工學版). 2013(03)
[9]干摩擦磨損過程中表面粗糙度的定量描述[J]. 劉洪濤,靳晶,曹守范,葛世榮.  材料研究學報. 2011(05)
[10]LY12CZ預腐蝕疲勞研究[J]. 朱延波,龍霓東.  航空精密制造技術. 2011(02)

博士論文
[1]基于細觀損傷機理的韌性斷裂研究[D]. 姜薇.西北工業(yè)大學 2016
[2]扭動微動磨損機理研究[D]. 蔡振兵.西南交通大學 2009
[3]高強度橋梁鋼焊接性的研究[D]. 賈坤寧.東北大學 2008
[4]高低周復合載荷下燕尾榫結構微動疲勞壽命研究[D]. 古遠興.南京航空航天大學 2007

碩士論文
[1]表面改性對鈦合金高溫微動疲勞行為影響的研究[D]. 高廣睿.西北工業(yè)大學 2005
[2]低周載荷作用下燕尾榫結構微動疲勞壽命研究[D]. 夏青元.南京航空航天大學 2005



本文編號：3072695