導(dǎo)論

近日，陜西省沖擊動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李玉龍教授團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目、陸空基信息感知與控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)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(diǎn)，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(yàn)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(jì)算方法。通過電子萬能試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)態(tài)測試(b)

由于螺紋連接結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中無法觀察，因此針對準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)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(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn)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(gè)位置，(d)四個(gè)位置輸出的應(yīng)力-時(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)，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(jì)提供了可靠依據(jù)。