紧固件作为一种通用基础件，在工程和制造中应用广泛。在航空航天领域，飞机连接依赖大量各类紧固件，从而确保飞行器的结构牢固可靠；飞行器部段之间的连接也离不开紧固件的支持,螺栓连接的可靠性对于保障航空航天飞行器的安全和稳定运行至关重要。

螺栓连接在受到横向振动作用时，其周向的摩擦因数会减小，从而失去自锁功能，斜坡-滑块简化模型为后续螺栓连接的松动行为研究奠定了基础。PAI等[1]认为接触状态可以分为局部滑动和完全滑动两类，累积局部滑动所需的侧向载荷相对较小，这项研究对于理解螺纹连接的松动行为和松动过程中的摩擦特性有重要意义。IZUMI等[2]对螺纹接触状态进行了研究，进一步细化了接触状态的分类，指出接触状态可分为没有黏着区域的完全滑动、没有稳定黏着区域的微小滑动和有稳定黏着区域的局部滑动，同时定义了临界滑动，即使螺纹头部支撑面产生相对滑动的最小滑动量。SANCLEMENTE等[3]研究了弹性扭转变形，结果显示在拧紧过程中，大摩擦因数会使螺栓产生更大的弹性扭转变形，在施加载荷的过程中，弹性应变能的释放会使螺栓产生较大的初始松动。高学敏等[4]对横向振动条件下楔形垫圈的防松性能进行了研究，确定了紧固连接结构的可靠性。冯韶伟等[5]对横向振动条件下双螺母紧固连接的防松性能进行了研究，确定了双螺母紧固件的装配方式及装配方法。

综上所述，国内外学者已针对螺纹副的松动进行了大量的研究，但是对于螺纹副服役松动可靠性的失效仿真方法及预测模型研究还不充分，还不能形成相应的仿真数据库。基于以上研究现状，笔者对典型材料螺纹副进行服役松动可靠性试验，并构建了仿真模型，获取螺栓连接的有限元关键建模方法，可为后续的螺栓服役及正向设计提供分析方法，同时建立了典型工况下螺纹副服役松动仿真模型，并对影响服役的关键因素进行分析，为后续典型螺纹副的服役及可靠性提供数据支撑。

1. 横向振动原理与试验设备

1.1 横向振动原理

横向振动试验可用于评估紧固件在横向振动载荷下的防松性能。试验通过在紧固件连接的金属板之间施加交变横向位移，使连接松动，导致夹紧力减小甚至完全丧失。试验过程中，夹紧力减小得越慢，防松性能越好；反之，夹紧力减小得越快，防松性能越差。

螺栓连接横向振动原理如图1所示。由图1可知：随着连接板所受横向载荷的增大，连接板间的接触状态由黏着变为相对滑移，螺栓和螺母与连接板之间的接触状态仍保持黏着，随着载荷继续增大，3个界面的接触状态均变为相对滑移。

图 1螺栓连接横向振动原理示意

1.2 横向振动设备

对连接结构模型施加载荷并观察其松弛行为，是研究连接结构松弛行为常用的方法，而设计受载松弛试验台是该方法的前提。目前常用的试验装置都是利用凸轮连杆结构施加横向振动载荷。GB/T 10431—2008 《紧固件横向振动试验方法》标准中规定的横向振动试验装置结构如图2所示。横向振动试验设备包括振动台、夹紧装置和测量系统等。试验机的振动波形为正弦波，载荷频率和载荷振幅可以调节。

图 2横向振动试验装置结构示意

2. 横向振动仿真试验方案

2.1 试验方案设计

影响螺栓连接结构连接强度的因素有很多，研究选取初始预紧力、载荷振幅、载荷频率、摩擦因数4个因素进行数值模拟，分析这4个因素对螺栓连接结构夹紧力的影响。根据标准GB/T 10431—2008设计振动仿真试验方案。初始预紧力分别设置为4 000，4 400，4 800，5 200，5 800 N，载荷振幅分别设置为0.2，0.4，0.6，0.8 mm，载荷频率分别设置为4，6，8，10，12 Hz,摩擦因数分别设置为0.10，0.15，0.20，0.25和0.30。

2.2 仿真试验步骤

基于紧固件横向振动试验标准，结合有限元软件Abaqus，建立螺栓连接横向振动有限元仿真模型。在Abaqus软件中建立螺栓连接的三维模型，定义材料属性和接触关系。根据试验方案设定的预紧力水平施加初始预紧力。设定载荷振幅和载荷频率，施加横向振动载荷。记录夹紧力的变化曲线，分析螺栓连接在不同振动条件下的松动行为。

螺栓连接横向振动有限元模型如图3所示，研究中所建立的模型由M6螺栓、螺母、垫片，以及两块含孔的连接板组成。模型设置两个分析步，均采用Explicit显式求解器。分析步1为施加螺栓预紧力，分析步2为施加横向振动载荷。所有接触对均采用通用接触，法向设置为硬接触，切向设置为滑动摩擦，摩擦因数为0.15。有限元模型的边界条件及载荷设置至关重要，可以确保仿真结果的准确性和可靠性。首先，在固定板的左右端面施加完全固定的约束，限制其6个自由度，从而模拟实际试验情况下固定板的受力状态。接着，在分析步1中，对螺栓头部施加关于x轴的对称约束，以模拟螺栓在预紧过程中的对称受力状态。此外，将螺母整体与参考点1进行运动耦合约束，对参考点1施加绕z轴的转角位移，通过螺纹间的相对运动实现螺栓的拉紧，进而施加预紧力。在分析步2中，为模拟螺栓横向振动的情况，将移动板的左端面与参考点2进行运动耦合约束，对参考点2施加正弦位移载荷，其中位移幅值为Pm，频率为ω。通过对参考点2施加周期性位移载荷，观察螺栓连接的应力应变分布及预紧力衰退规律。

图 3螺栓连接横向振动有限元模型

螺纹处的网格划分较为复杂，划分螺栓实体网格时难以控制螺纹处的单元形状。因此，模型将螺纹分为内螺纹和外螺纹，并对螺纹和螺栓、螺母分别进行建模，而后使用绑定技术将螺栓和外螺纹进行绑定，同时将螺母和内螺纹进行绑定。使用扫掠技术对螺栓、螺母及螺纹进行网格划分，使用结构技术对连接的含孔板进行网格划分，单元类型均为C3D8R，即八节点六面体线性减缩积分单元。

依据标准GB/T 10431—2008，对3种螺钉进行防松试验，其中M6公制螺钉与本研究仿真模型的螺钉规格相同。试验条件设置为：载荷振幅为0.8 mm，循环次数为500次。图4为横向振动试验与仿真剩余预紧力对比结果。依据标准，公制螺钉经过100个振动周期,其预紧力就能减小到设定的目标预紧力(50%的初始预紧力)。研究中未设置目标预紧力时，500次振动后，剩余预紧力为1 293 N，与试验结果的误差约为35%。仿真结果显示，减小到50%初始预紧力时为75个振动周期。以上结果表明仿真模型具有一定的精确性。

图 4横向振动试验与仿真剩余预紧力对比结果

3. 不同因素对螺栓连接结构松动的影响

3.1 初始预紧力对螺栓连接结构松动的影响

在保证连接结构选型一致，振动次数、载荷振幅、载荷频率等参数不变的前提下，改变螺栓连接结构初始预紧力，观察连接结构受载前后松动行为的变化情况。较大的预紧力可以增大接触面的摩擦力，增强螺栓连接的防松性能。然而，过大的预紧力可能导致螺栓发生塑性变形，反而降低连接的可靠性。通过仿真分析，研究不同预紧力条件下螺栓连接的松动行为。

图5为不同初始预紧力条件下的螺栓连接横向振动模型应力云图。由图5可知：随着螺栓初始预紧力的增大，螺杆部位应力增大明显；随着横向载荷振动次数的增加，与固定连接板接触的下半截螺杆发生应力松弛现象，相比初始阶段应力变小明显，与动板接触的上半截螺杆受到剪切作用，应力相较初始阶段有一定程度的增大；螺杆中部受剪切部位出现明显的高应力区。当振动次数达到500次时，各仿真试验组的螺栓均发生松动，失去承载能力，螺栓螺纹与螺母螺纹发生挤压，导致螺纹处出现应力集中，螺纹发生破坏。

图 5不同初始预紧力条件下的螺栓连接横向振动模型应力云图

图6为不同初始预紧力条件下螺栓连接预紧力随载荷振动次数的变化曲线。由图6可知：不同初始预紧力条件下，单螺栓节点预紧力衰退情况不同，当初始预紧力为4 000 N时，残余预紧力为1 293 N，预紧力松弛量为2 707 N，预紧力松弛率为67.68%；当初始预紧力为4 400 N时，残余预紧力为1 491 N，预紧力松弛量为2 909 N，预紧力松弛率为66.11%；当初始预紧力为4 800 N时，残余预紧力为1 630 N，预紧力松弛量为3 170 N，预紧力松弛率为66.04%；当初始预紧力为5 200 N时，残余预紧力为959 N，预紧力松弛量为4 271 N，预紧力松弛率为81.56%；当初始预紧力为5 800 N时，残余预紧力为902 N，预紧力松弛量为4 898 N，预紧力松弛率为84.45%；所有仿真试验组曲线均呈现相同的趋势，在开始时预紧力快速减小，到达一定值后随时间的变化越来越小，螺栓松动呈先快后慢的趋势，当初始预紧力为4 800 N时，螺栓连接的防松性能最佳。

图 6不同初始预紧力下螺栓连接预紧力随载荷振动次数的变化曲线

预紧力的增大能够显著提升接触面的摩擦力，从而增强螺栓连接的防松性能。这一现象可以归因于摩擦阻力增大，使接头在受到外部动态载荷作用时不易发生相对滑动。然而，预紧力过大则可能引起螺栓的塑性变形，导致螺栓永久变形并产生应力集中，进而削弱连接的整体可靠性。因此，在设计螺栓连接时，应合理选择初始预紧力。

3.2 载荷振幅对螺栓连接结构松动的影响

载荷振幅直接影响螺栓连接的松动倾向。图7为不同载荷振幅下的螺栓连接横向振动模型应力云图。由图7可知：当载荷振幅为0.2 mm时，随着振动次数的增加，螺杆整体应力衰减；当载荷振幅为0.4，0.6 mm时，虽然螺杆大部分区域发生了明显的应力衰减，但螺杆中部存在高应力区，因为随着载荷位移的增大，连接孔与螺杆发生接触，对螺杆产生剪切作用。随着载荷振幅的增加，螺杆在各个阶段的应力水平均变大，且螺纹处受到越来越大的挤压作用，变形逐渐增大，应力集中十分明显。

图 7不同载荷振幅下的螺栓连接横向振动模型应力云图

图8为不同载荷振幅下螺栓连接预紧力随载荷振动次数变化的曲线。由于存在拧紧误差，各仿真试验组受载前预紧力与试验前设置的初始预紧力存在偏差。由图8可知：当载荷振幅由0.2 mm变为1.0 mm时，连接结构预紧力减小值由2 056.26 N增大至4 142.09 N，减小百分比由42.39%提升至86.85%。对比各组仿真试验结果，发现随着载荷振幅的增大，连接结构预紧力减小值显著增大，下降百分比明显升高。载荷振幅越大，载荷作用的初始阶段预紧力减小得越快。经历初始阶段的预紧力快速减小后，载荷振动100次后，预紧力持续减小，减小速率减慢且保持平稳。

图 8不同载荷振幅下螺栓连接预紧力随载荷振动次数变化的曲线

较大的载荷振幅会导致螺栓和连接件之间产生更大的横向位移，从而增加螺纹之间的相对滑移。这种相对滑移会加速接触面的磨损和螺纹间的摩擦力下降，最终导致螺栓连接发生松动。因此，载荷振幅越大，螺栓连接的松动过程就越快，连接的可靠性也随之降低。

3.3 载荷频率对螺栓连接结构松动的影响

图9为不同载荷频率下的螺栓连接横向振动模型应力云图。由图9可知：在相同载荷频率下，螺栓应力变化呈现相同的规律，随着振动次数的增加，螺杆下半部出现明显的应力衰退现象，上半部的剪切作用大于下半部。在经历500次载荷振动时，随着载荷频率的增加，螺杆部位高应力区面积呈现减小的趋势。

图 9不同载荷频率下的螺栓连接横向振动模型应力云图

图10为不同载荷频率下螺栓连接预紧力随载荷振动次数变化的曲线。由图10可知：随着载荷频率的增大，螺栓连接的预紧力衰减速率加快。主要原因是高频振动引起的磨损、微动磨损和塑性变形的累积效应。该螺栓连接横向振动模型未考虑热效应的影响，因此载荷频率对预紧力下降速率的影响不够明显。

图 10不同载荷频率下螺栓连接预紧力随载荷振动次数变化的曲线

随着载荷频率的增大，螺栓连接的松动速率明显加快。结果表明高频振动对螺栓连接可靠性存在潜在威胁，强调了在实际工程应用中控制载荷频率的重要性。通过合理设计和选择载荷频率，螺栓松动过程有效延缓，连接结构的稳定性提高，使用寿命延长。

3.4 摩擦因数对螺栓连接结构松动的影响

设置转角位移为2.3 rad，载荷振幅为0.2 mm，载荷频率为12 Hz，不同摩擦因数下螺栓连接预紧力随载荷振动次数变化的曲线如图11所示。由图11可知：当摩擦因数为0.10和0.15时，螺栓连接预紧力快速变小，在振动次数分别达到30，70次时，螺栓连接已失去承载能力，螺栓完全松脱；当摩擦因数为0.2时，前50次振动导致预紧力迅速变小，然后预紧力变小速率减慢，在振动次数达到400次时，螺栓连接失去承载能力，螺栓完全松脱；随着摩擦因数继续增大到0.25和0.3时，螺栓连接接头经历500次振动后仍未失去承载能力，且预紧力几乎保持平稳，螺栓预紧力损失率分别为57.99%和49.85%。

图 11不同摩擦因数下螺栓连接预紧力随载荷振动次数变化的曲线

当摩擦因数较小时，螺纹之间的摩擦力较小，在振动和外力的作用下，螺纹接触面更容易发生相对滑移。这种滑移会加剧接触面的磨损和微动磨损，使螺栓连接的预紧力迅速减小。此外，摩擦力不足也会使螺栓在动态载荷下产生更大的变形和松动，进一步加速了预紧力的减小速率。因此，在低摩擦因数条件下，螺栓连接的松动速率较快，预紧力保持的时间较短。相反，随着摩擦因数的增大，螺纹之间的摩擦力显著增大。这种增强的摩擦力在很大程度上阻止了螺纹接触面的相对滑移，减少了磨损和微动磨损的发生频率。同时，较大的摩擦力也能够有效地分散和吸收外力，减小螺栓的变形和松弛程度，从而使预紧力的减小速率显著变慢。因此，在高摩擦因数条件下，螺栓连接的预紧力能够保持更长时间，连接的稳定性和可靠性也得到提高。

4. 结论

预紧力的增大能够显著增大接触面的摩擦力，从而增强螺栓连接的防松性能，但过大的预紧力可能会引起螺栓塑性变形，导致螺栓的永久变形，并产生应力集中，进而削弱连接的整体可靠性；横向振动的振幅越大，螺栓连接的松动过程就越快，连接的可靠性也随之降低；随着横向载荷频率的增加，螺栓连接的松动速率明显加快；随着摩擦因数的增大，螺纹防松性能显著增强。

文章来源——材料与测试网