螺纹连接广泛应用于大型复杂耐高温碳材料构件的二次连接。了解螺纹连接结构应力分布有助于预测连接件在实际工况下的损伤和失效行为。然而碳材料(如石墨、碳/碳复合材料)具有高脆性的特性,受载时形变小,不易观察。同时形变主要发生于内部螺纹咬合部位,因此常用的数字图像法(DIC)等应力分析手段并不适用。本文采用有限元仿真方法,对受载时的均质石墨螺柱-螺母内外连接结构的应力分布进行研究,并结合实验分析其损伤过程。
以石墨螺纹连接结构为研究对象,利用有限元仿真技术,研究螺距P、螺纹咬合齿数n对螺纹连接结构应力分布变化的影响。首先利用ABAQUS建立与实际尺寸相同的石墨螺纹连接结构模型,并进行轴向受力时的连接应力模拟。采用Yamamoto解析法计算螺纹连接副的承载力分布,以此验证有限元仿真结果的可靠性。通过分别对不同螺距P、不同螺纹咬合齿数n的石墨螺纹连接结构进行有限元仿真研究,得到不同螺纹参数下的应力分布情况。结合实际实验的螺纹损伤形貌,分析石墨螺纹连接结构受轴向载荷时的失效过程。
有限元模型具有较高可靠性,有限元结果与Yamamoto解析解偏差较小(<10%)。从有限元仿真结果可以看出,螺纹咬合齿数n能较大程度地影响石墨螺纹连接结构的应力分布。对于咬合齿数n较少(n=4)的螺纹链接结构,由于螺纹咬合数量少,承载力在各螺纹间分布较均匀,靠近螺母顶端的螺纹承载应力值稍大。而当螺纹咬合齿数n大于等于8时,各螺纹径向受力变形程度由两端向中部逐渐减小,各部位螺纹受力不再均匀,两端螺纹承受较大载荷,且螺母底端的螺纹根部应力集中更为明显,载荷值向中部螺纹逐渐减小,因此螺纹根部应力值呈两边高中间低的U形分布。相较于螺纹咬合齿数n,螺距P对连接结构应力分布的影响较小。当螺纹齿数n相同时,螺距的变化不会造成螺纹的整体受力趋势的变化。分析连接结构的失效行为,对于低咬合齿数的螺纹连接结构,各螺纹受力均匀,随着载荷增加,各螺纹会几乎同时发生破坏,同时由于材料的脆性,导致整个螺纹连接件整体的瞬间失效。而咬合齿数较大(n≥8)的螺纹连接结构,两端的螺纹会先发生破坏失效,而中间部位的螺纹未达到承载极限,可继续承受一定载荷。螺纹连接结构的失效过程通过实际实验损伤形貌得以验证,大咬合齿数的螺柱外螺纹损伤部位都集中出现于应力集中更为严重的螺母两端的区域,并且离螺纹底端较近的外螺纹损伤情况更为明显。
有限元仿真研究可以较真实的反应碳材料螺纹连接结构的应力分布情况,本文构建不同螺距P、不同螺纹咬合齿数n的螺纹连接结构有限元仿真模型,研究了不同螺纹参数下连接结构的应力分布情况,通过有限元仿真结果可分析预测实际工况下碳材料螺纹连接结构的失效行为。
碳材料(如石墨、碳/碳复合材料)因其轻质高强、高热导率、耐腐蚀性和耐高温性能,被广泛应用于耐高温结构件。螺纹连接作为一种常用的连接方法,被广泛应用于大型复杂的碳材料构件的二次连接。碳材料螺纹连接螺距P、螺纹旋合的齿数n的设计对螺纹的承载能力起着决定性的作用,同时也影响螺纹上等效应力的分布,螺纹连接结构应力分布可以帮助预测连接件在实际工况下的损伤和失效行为。由于碳材料脆性大,非接触式全场应变方法(如DIC)无法对其承载时的应力分布及损伤失效情况进行分析。本文采用有限元仿真方法,以均质石墨结构为研究对象,建立了不同螺纹参数的的内外螺纹连接结构模型,应用abaqus有限元分析软件进行模拟计算,得到了材料处于弹性阶段,不同载荷条件下螺距、螺纹咬合齿数对结构应力变化的影响,并对连接结构损伤过程进行了综合分析。因此,本研究目的在于为碳材料螺纹连接结构设计提供一定的指导价值。
了解螺纹连接结构应力分布有助于预测连接件在实际工况下的损伤和失效行为。然而碳材料本身的脆性,以及受载时形变主要发生于内部螺纹的特性,常用的数字图像法(DIC)等应力分析手段并不适用。本文采用有限元仿真方法,对受载时的均质石墨螺柱-螺母内外连接结构进行研究。研究了弹性阶段,螺距P、螺纹咬合齿数n对结构应力变化的影响,并分析其损伤过程。结果表明:当螺纹咬合齿数值较小时,载荷分布较均匀,螺母的受载荷端面螺纹根部发生轻微应力集中。随着螺纹咬合齿数值的增加,连接部分螺纹根部的应力分布呈U型分布,两端螺纹承担更多应力,同时承载螺纹数量增加,导致螺纹连接强力提高。而螺距对于螺纹连接的整体应力分布影响较小。von Mises应力分布云图表明,螺母两端的应力集中最为严重,且随着载荷增加,内外螺纹根部的应力集中加剧,两端的螺纹区域将最先发生失效。