一个完整的螺纹分析评定解决方案-从高速列车脱轨事故说起

一、螺栓连接安全无小事

2007 年，英国西北部发生了一起由螺纹松动导致的高速列车脱轨事故，造成 1 人死亡，8 人受伤。这是一列高速行驶的列车在运行途中，突然如脱缰野马般脱离轨道，车身剧烈扭曲变形，车厢相互挤压碰撞，现场一片狼藉。而这起事故的根源，竟是看似不起眼的螺纹松动。列车关键部位的螺栓因长期振动等因素，螺纹逐渐松动，连接失效，致使车轮与轨道的契合出现偏差，最终引发脱轨悲剧。这起事故如同尖锐的警示针，深深刺痛了交通工程领域，让人们再次深刻认识到螺栓连接的安全隐患不容小觑。

其实，因螺栓连接问题导致的重大事故并非个例。1999 年 2 月 24 日，中国西南航空公司编号 2622 号飞机执行成都飞往温州航班任务时，在温州地区发生空中粉碎解体的事故，机上 50 名旅客、11 名空勤人员全部遇难。而事故原因正是飞机的升降舵操纵系统中，安装了不符合规定的自锁螺母，飞机在飞行途中螺母旋出，接着连接螺栓脱落，导致飞机俯仰通道的操纵失效而失事。

据媒体报道，由于驾驶舱录音器记录的信息表明飞机俯仰操作系统出现故障与飞机失事有直接联系，所以调查组在失事现场残骸中重点对此系统部件进行仔细搜寻和检查，先后找到了升降舵操作系统舵机、助力器、摇臂、支座和拉杆等残件。检查发现位于垂直尾翼上部的135摇臂存在异常情况，该摇臂与0拉杆的连接未使用花螺母加开口销的连接方法，而是使用自锁螺母连接，且此螺母的尺寸与螺栓尺寸不匹配，较之大了1毫米，而就是这大出的微不足道的1毫米，会导致螺母在使用过程中的脱落，螺母一旦脱落，连接螺栓会逐渐退出和脱落造成拉杆与摇臂脱开，继而导致驾驶杆无法 正常控制升降舵的严重后果。之后的模拟实验也进一步证实了这个结论。

这些事故都警示着我们，螺栓连接看似是一个小环节，但其重要性却不容小觑。在各类工程结构中，螺栓连接作为最常用的紧固方式之一，其紧固能力关系着整个结构的安全性与可靠性。一旦出现问题，就可能引发严重的后果。那么，如何才能确保螺栓连接的可靠性呢？这就不得不提到振动试验以及相关的分析评估了。接下来，我们将深入探讨振动试验相关标准、螺纹联接的建模、后处理中 APDL 编程、螺纹联接的评定准则以及实操中应注意的问题。

二、振动试验相关标准

振动试验是评定产品在预期的使用环境中抗振能力而对受振动的实物或模型进行的试验。根据施加的振动载荷的类型，振动试验分为正弦振动试验和随机振动试验两种。正弦振动试验包括定额振动试验和扫描正弦振动试验，扫描振动试验要求振动频率按一定规律变化，如线性变化或指数规律变化。随机振动试验则以模拟产品整体性结构耐震强度评估以及在包装状态下的运送环境。

在我国，振动试验有一系列严格的标准。比如正弦振动标准主要包括 GB/T 2423.10 - 2008《电工电子产品环境试验 第 2 部分： 试验方法 试验 Fc： 振动（正弦）》、IEC60068 - 2 - 6 - 2007《基本环境试验规程。第 2 部分：试验。第 6 节：试验 Fc: 振动 (正弦波)》等。这些标准规定了正弦振动试验的具体方法、参数要求等。随机振动标准主要包括 GB/T 2423.56 - 2018《环境试验第 2 部分：试验方法试验 Fh: 宽带随机振动和导则》、IEC 60068 - 2 - 64《环境试验 - 第 2 部分第 64 节试验方法 - 试验 fh 振动、宽带随机抽样》等。这些标准对于规范随机振动试验，确保试验结果的准确性和可比性具有重要意义。还有 GJB 150.16A - 2009《军用装备实验室环境试验方法第 16 部分：振动试验》等其他标准，适用于不同的行业和产品领域。

以电子设备为例，在进行正弦振动试验时，需要根据标准确定试验频率范围、振动幅值和试验持续时间等参数。一般来说，电子设备可能需要在一定频率范围内进行扫频振动试验，以检测其在不同频率下的抗振性能。通过这样的试验，可以发现电子设备在某些特定频率下是否会出现结构损坏、产品功能失效或性能超差等问题。而在随机振动试验中，要按照相关标准设定功率谱密度、总均方根加速度等参数，模拟电子设备在实际使用或运输过程中所遇到的复杂振动环境，从而更真实地评估其耐振性能。

三、螺纹联接的建模

螺纹连接是工程结构中最常用的紧固方式之一，对其进行准确的建模对于分析其力学性能至关重要。由于螺纹升角结构复杂，难以划分优质的有限元网格，为了简化计算，许多研究人员通常假定有限元模型的螺纹部分具有轴对称几何特性或直接忽略模型的螺纹结构。这样的简化虽然在一定程度上能够进行分析，但无法准确反映螺纹连接处的真实应力分布。

现在有研究采用国际标准化组织（ISO）制定的标准螺旋线公式，采用 3 维 8 节点单元，精确建立螺纹连接件有限元模型。该模型不仅考虑了螺纹螺旋升角对模型的影响，且模型中组成每个节距的单元层排列整齐，每层单元上的节点编号分布有序，内外螺纹面上的节点相互贴近。这些特质使得模型能够准确映射工程中螺纹连接结构的力学特性，优化模型数值计算收敛性，便于对模型数值计算结果开展力学剖面分析。

在建立螺纹联接模型时，首先要确定螺纹轮廓线的规格。为了防止螺纹齿根处发生过度的应力集中现象，对齿根半径有一定要求。以螺栓外螺纹轮廓线为例，从螺纹齿根到螺纹顶部可以分为不同部分，将这些部分的轮廓线延展成绕螺栓轴线的平面，投影到垂直于螺栓轴的平面上，可得到外螺纹轮廓线的轨迹方程。通过这个方程，结合相关参数，能够准确构建螺纹的几何形状。在构建模型时，将单个节距螺纹上所得到的全部螺旋线等间距离散成若干节点，并将这些离散节点按位置关系组合成精度较高的 3 维 8 节点（C3D8）单元，即获得单个节距螺纹 3 维有限元模型。再将此单个节距的模型，沿螺纹中心轴线堆叠适当个数，就得到了多节距的螺纹连接结构 3 维有限元模型。

通过精确建模，可以更准确地分析螺纹连接结构在不同受力情况下的力学行为。比如在螺栓预紧过程中，能够准确模拟螺母转动与轴向力的关系。当螺母绕螺栓转动时，螺母的轴向位移量与转角呈一定的线性关系。但在实际拧紧过程中，螺母和被连接件未发生接触的旋转期间，螺栓上不会产生轴向力，一旦接触后，轴向力起初会很小，但后期增长很迅速，这个过程称为被连接件的贴紧过程。贴紧过程结束后，轴向力与转角再次呈线性关系，直到达到材料的屈服点，轴向力和转角的关系由直线变为曲线。通过精确的模型，能够清晰地展现这一复杂的力学过程，为优化螺纹连接设计提供有力依据。

四、后处理中 APDL 编程

在完成螺纹联接的建模与分析后，后处理是获取有价值信息的关键环节。APDL（ANSYS Parametric Design Language）编程在这一过程中发挥着重要作用。APDL 是 ANSYS 软件的参数化设计语言，它允许用户通过编写程序来实现对分析过程的自动化控制和结果的后处理。

利用 APDL 编程可以实现对分析结果的定制化提取和处理。例如，在螺纹联接分析中，我们关心螺纹齿根处的应力集中情况、螺栓和螺母各部位的应力分布以及整个连接结构的变形情况等。通过 APDL 编程，可以编写相应的程序代码，快速准确地从大量的分析结果数据中提取出我们关注的信息。可以编写程序自动提取螺纹齿根处的最大应力值，并将其与材料的许用应力进行比较，判断是否存在应力集中过大的问题。还可以通过 APDL 编程实现对分析结果的可视化处理。将螺纹连接结构的应力分布、变形情况等以直观的图形方式展示出来，使分析人员能够更清晰地了解结构的力学状态。通过不同颜色的云图来表示不同区域的应力大小，通过变形前后的对比图形来直观地显示结构的变形情况。这样的可视化处理有助于快速发现结构中的薄弱环节，为进一步的优化设计提供指导。

在实际应用中，APDL 编程还可以实现对分析过程的自动化循环。比如，在研究不同预紧力对螺纹连接结构性能的影响时，可以通过 APDL 编程设置一个循环，自动改变预紧力的大小，进行多次分析，并将每次分析的结果进行整理和对比。这样可以大大提高分析效率，节省时间和人力成本。

五、螺纹联接的评定准则

螺纹联接的评定准则是判断其是否满足设计要求和安全标准的依据。在实际工程中，需要从多个方面对螺纹联接进行评定。

从力学性能方面来看，螺栓预紧力是一个重要的评定指标。合适的预紧力能够确保螺纹连接在工作过程中不会松动，保证结构的稳定性。如果预紧力不足，在振动、冲击等外力作用下，螺纹连接容易发生松动，进而影响整个结构的安全性。如在发动机等高速运转的机械设备中，螺栓预紧力不足可能导致零部件松动，引发严重的故障。而预紧力过大，则可能使螺栓超过其屈服强度，导致螺栓断裂。在一些桥梁结构的螺栓连接中，如果预紧力过大，可能会使螺栓在长期使用过程中发生疲劳断裂，威胁桥梁的安全。

螺纹牙的受力分布也是评定准则之一。在螺纹连接中，螺纹牙并非均匀受力，一般靠近螺母支撑面的第一扣螺纹牙承受的载荷最大，随着螺纹牙数的增加，各扣螺纹牙承受的载荷逐渐减小。如果螺纹牙受力分布不合理，可能导致部分螺纹牙过早损坏，影响螺纹连接的整体寿命。因此，在设计和评定螺纹联接时，需要考虑如何使螺纹牙受力更加均匀，提高螺纹连接的承载能力。

从结构完整性方面，要检查螺纹连接部位是否存在裂纹、变形等缺陷。这些缺陷可能在制造过程中产生，也可能在使用过程中由于疲劳、腐蚀等原因出现。在航空发动机的高温高压环境下，螺纹连接部位容易受到腐蚀和热疲劳的影响，产生裂纹。一旦发现这些缺陷，需要及时采取措施进行修复或更换，以确保螺纹连接的可靠性。

六、实操中应注意的问题

在实际操作中，为了确保螺纹联接的可靠性，有许多问题需要注意。在安装螺栓时，要严格按照规定的扭矩进行拧紧。扭矩过大或过小都可能导致问题的出现。扭矩过大可能使螺栓拉伸过度甚至断裂，扭矩过小则无法提供足够的预紧力，容易造成螺纹连接松动。在汽车发动机的装配过程中，对于每个螺栓的拧紧扭矩都有严格的要求，装配工人需要使用专业的扭矩扳手按照规定扭矩进行操作，以保证发动机的性能和可靠性。

要注意螺栓和螺母的匹配。不同规格、型号的螺栓和螺母不能随意混用，否则可能导致螺纹连接不紧密，影响连接强度。在一些机械设备的维修过程中，如果使用了不匹配的螺栓和螺母，可能会在设备运行过程中引发故障。还要关注螺纹连接部位的表面质量。如果螺纹表面存在油污、杂质等，会影响螺纹的拧紧效果和摩擦力，降低连接的可靠性。在进行螺纹连接前，需要对螺纹表面进行清洁处理，确保其表面干净、光滑。

在一些振动环境较为复杂的场合，如航空航天、船舶等领域，还需要采取额外的防松措施。可以使用弹簧垫圈、锁紧螺母等防松装置，防止螺纹连接在振动过程中松动。在飞机的机翼与机身连接部位，由于飞行过程中会受到强烈的振动，就需要采用多种防松措施来确保螺纹连接的可靠性。

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