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螺紋聯(lián)接作為一種最普遍的聯(lián)接件，廣泛地用于鐵路、汽車、機(jī)械等各行各業(yè)，但因?yàn)槁菁y齒根部的嚴(yán)重應(yīng)力集中等現(xiàn)象，常常發(fā)生松動(dòng)、松脫和疲勞斷裂進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效。鐵基SMA防松螺母是由Fe30Mn6Si4Cr5Ni合金材料制成，利用該合金約束狀態(tài)下的形狀記憶和超彈性效應(yīng)，不僅可有效地防止螺紋聯(lián)接發(fā)生松動(dòng)、松脫，而且還可提高螺紋聯(lián)接的疲勞壽命，所以這種螺母的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
有限元分析方法是一種有效的應(yīng)力分析方法，它比解析法方便、直觀，比試驗(yàn)法經(jīng)濟(jì)，又能滿足工程上的經(jīng)濟(jì)要求。本文在分析研究鐵基SMA螺母防斷機(jī)理的基礎(chǔ)上，借助大型有限元分析程序ANSYS軟件建立了參數(shù)化的螺栓聯(lián)接計(jì)算模型，對(duì)這種新型螺栓連接中螺紋牙中的載荷傳遞規(guī)律及螺紋齒嚙合面上接觸應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了分析研究，并通過(guò)與普通螺栓連接的比較，驗(yàn)證了這種新型防松螺母的防斷性能。
螺母與螺栓構(gòu)成螺栓連接，二者有多圈螺紋牙旋合。在預(yù)緊力的作用力，在螺栓桿上產(chǎn)生軸向拉力，螺母本體承受壓力的作用。而一般情況下，螺母的剛度大于螺栓的剛度，這樣螺栓受壓時(shí)的螺距的減小量也不同于螺栓受拉的增加量，兩者的變形差主要靠接觸的各圈螺紋牙的變形來(lái)補(bǔ)償。又根據(jù)胡克定律，各螺紋牙變形的不同直接導(dǎo)致其相應(yīng)的受力大小也不同。實(shí)際上諸多理論和實(shí)踐也證明，螺栓連接的受力僅僅由少量的螺紋牙(第一、二螺紋牙)來(lái)承擔(dān)，而如何改善這種受力不均的狀況是提高螺栓的疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵。
鐵基SMA防松螺母主要是利用鐵基合金彈性模量相對(duì)較小、變形大的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)防斷的。具體地，由于Fe30Mn6Si4Cr5Ni合金的彈性模量較小，用其制成的螺母壓縮變形量較大，從而使螺母受壓時(shí)螺距的減少量接近于螺栓受拉時(shí)螺距的增加量，因此各圈螺紋牙的變形大小就比較接近，相對(duì)應(yīng)的受力大小也比較相近，從而有效地改善了螺紋牙受力不均的現(xiàn)象，避免了螺栓連接的受力僅有極少量螺紋牙承擔(dān)的現(xiàn)象，達(dá)到防斷的目的。另一方面，F(xiàn)e30Mn6Si4Cr5Ni合金還具有超彈效應(yīng)，這一效應(yīng)可使這種新型螺母具有良好的阻尼減振性能，在振動(dòng)、沖擊和動(dòng)載荷作用下可以吸收部分能量，進(jìn)而大大提高螺栓聯(lián)接的疲勞壽命。
在預(yù)緊力的作用下，螺母的內(nèi)螺紋和螺栓的外螺紋在一定的嚙合點(diǎn)處旋合保持完全緊密的接觸，這是空間曲面接觸力學(xué)問(wèn)題。為了計(jì)算方便，對(duì)螺紋連接有限元模型做如下假設(shè):(1)螺母和螺栓的材料為各向同性；(2)螺齒的升角低于4°時(shí)，載荷沿螺紋齒的分布幾乎不受螺紋升角的影響。因此在軸向載荷作用下，螺栓聯(lián)接簡(jiǎn)化作軸對(duì)稱問(wèn)題處理。本文以M10×1.5的靜載螺栓聯(lián)接為研究對(duì)象，對(duì)其在預(yù)緊力作用下的力學(xué)特性進(jìn)行研究分析。有限元模型的建立過(guò)程中均采用國(guó)際制單位，因此最后計(jì)算結(jié)果應(yīng)力的單位為Pa。為了提高計(jì)算的效率，編制了參數(shù)化的前處理程序，程序適用于多種不同規(guī)格螺栓聯(lián)接的計(jì)算分析。計(jì)算時(shí)只需修改批處理程序中螺栓和螺母螺紋的有關(guān)參數(shù)。
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