螺栓的静强度分布

选题的目的和意义:
缸盖螺栓是在循环交变应力条件下工作的,是发动机零件强度要求最高的螺栓之一。螺栓虽小，但由于其几何形状和载荷条件十分复杂，目前国内对螺栓工作时的应力应变状态的研究还不够。本文针对螺纹联接件的特点，以某型柴油机提升功率为例，对缸盖螺栓的疲劳强度进行了有限元计算校核，以此来探讨高强度螺栓的计算分析方法，研究螺栓的疲劳应力应变状态，并进行可靠性分析。
由于螺栓连接的复杂性，前期的研究一方面由电镜及金相对其进行失效分析,断裂螺栓外表面局部区域有不正常接触挤压及粘着磨损,导致接触疲劳裂纹萌生。另一方面多将螺栓简化为纯剪模型或梁模型，但此方法造成计算结果的不准确,对提高螺栓疲劳寿命不够明显。
本课题正是针对后一问题，对螺栓进行力学研究，认真研究安全螺栓的弹塑性变形及破坏，以期找出螺栓在循环交变应力条件下工作的可靠性。
国内外现状:
现今对螺栓的研究的主要成果一般集中在螺栓的预紧力的计算和螺栓受到破坏时的力学性能分析。多采用有限元模型模拟分析的办法进行。主要成果有：
(1)陈开来，任颂赞，熊一啸，哈胜男等人缸盖螺栓接触损伤引发疲劳开裂分析
(2)谢慧敏，马岳峰，韩建保等人对螺栓连接件的有限元仿真计算
(3)河北职工大学彭炜的受剪螺栓预紧力计算新探
(4)发电设备国家工程研究中心，合肥中辰轻工机械有限公司和合肥神马电工机械厂的陆秉权，王海龙，周小飞和吴功翠等人的应用有限元技术计算螺栓联接的方法研究
(5)钱文学, 尹晓伟, 何雪宏, 谢里阳等人压气机盘疲劳可靠性数字仿真分析
(6) Fatemi A , Socie D F. A critical plane approach to multiaxial fatigue damage including out2of2phase loading [ J ] . Fatigue and Fract ure of Engineering Materials and St ruct ures ,1988 ,11 (3) :149 - 166.
(7) Ramirez2Marquez J E , Coit D W. A Monte2Carlo simulation approach for approximating multi2state [ J ] . Reliability Engineering and System S af ety , 2005 ,87 (2) :253 - 264.
(8)董聪?现代系统结构可靠性理论及应用[M] ?北京:科学出版社, 2001. 19 - 37
在车用柴油机设计的过程中，经常是从一个最初的机
型经不断的改进，逐步发展演化成为一个新的机型。而对
柴油机的改进设计中，对柴油机燃烧过程的改进及对柴油
机增压，是提高柴油机功率的主要方法。对一个已经大批
量生产的机型而言，由于受生产线专用设备的限制，在柴
油机的改进过程中，必须考虑对生产线生产设备的影响，
如果改动太大，将造成原有模具、专用设备的报废。所以，
最好能使新的改进设计尽量与原生产线设备兼容或只需
少量更新设备

即可实现，这样可以达到减少投资，提高企
业经济效益的目的。
车用柴油机气缸盖辅助螺栓的出现，即是这种改进方
法的产物。它是基于柴油机在缸径不变，少量扩大缸径，
经过改进柴油机燃烧、废气蜗轮增压，大幅度地提高了柴
油机的功率，而原来的缸盖螺栓受尺寸、位置及柴油机结
构的限制，不能相应增加尺寸或数量，而在两只缸盖中间，
利用原有的尺寸间隙，设计缸盖辅助螺栓（或称为骑缝螺
栓），通过垫块，同时压在相邻的两只气缸盖上，以保证
气缸盖有足够的压紧力。
采用辅助螺栓设计的好处，是在柴油机气缸燃烧压力
和功率增加较大的情况下，可以维持柴油机的基本外形尺
寸不变，这对结构要求尽可能紧凑的车用柴油机来说，是
很有利的；同时，可使柴油机最重要的零件之一：机体的
改动很少。所以，在一些已经批量生产机型的改进中得到
应用，如135 系列柴油机，WD615 系列柴油机等。
由于受柴油机尺寸和结构的限制，通常气缸盖辅助螺
栓的直径小于主螺栓。本文将讨论在上述情况下，气缸盖
主螺栓、辅助螺栓的可靠性设计。
螺栓联接是柴油机装配中最重要的联接方式,根据统计,螺栓联接占到柴油机联接的80 % ,螺栓联
接的质量直接影响到柴油机的可靠性。螺栓联接是否可靠由螺栓的材料、联接结构、制造工艺和联接状
态所决定。前两项由产品设计保证,后两项由加工和装配质量决定[1 ] 。
柴油机重要螺栓是指那些由优质材料制作、有特殊拆装要求、用在特定工作场合、起重要作用的高强
度螺栓。重要螺栓一般有以下特点:1) 由优质钢材制造,并按特定要求进行了热处理;2) 联接的大都为柴
油机的重要零部件;3) 有较强的自锁能力,一般为细牙螺纹;4) 工作条件比较恶劣;5) 联接可靠与否直接
影响到整个柴油机的工作性能;6) 有特殊的装配要求[2 ] 。因此,包括主轴承盖、连杆盖、气缸盖、平衡块等
部位重要螺栓的联接,一直是柴油机制造业所关注的问题。

（一）项目研究内容
本项目以某型柴油机提升功率为例, 针对缸盖螺栓的疲劳强度进行分析，主要研究：
1.螺栓的几种力学模型；
2.利用有限元软件对螺栓进行了数值模拟
3.对螺栓理论计算。
通过对各种模型的分析结果进行比较，得出比较合力学模型。通过分析计算，得出螺栓在循环交变应力条件下工作的可靠性条件。

（二）项目研究方案
1.查阅有关资料，分析研究螺栓疲劳强度研究进展，针对目前研究中存在的问题，规划研究方向，细化研究内容。
2.研究了影响螺栓疲劳寿命的因素，包括螺栓材料的影响、热处理、制造工艺、应力分布

等。
3.分析并研究螺栓疲劳理论方面的基础知识，以及用于应力分析的理论知识一—有限元理论。
4.重点研究了螺纹根部有限元应力分布情况，通过理论计算了螺纹相关力及可靠度。具体分为:
(1)螺栓的静强度分布;
(2)螺栓的静工作应力分布;
(3)螺栓连接的静强度可靠度；
(4)研究并设计了一种螺栓动态可靠性模型；
(5)螺栓疲劳强度可靠性设计计算。