螺栓球节点疲劳及高温力学特性研究

摘要

网架结构是一种高阶静定的新型空间结构，由多根杆件按照一定规律组合，通过节点连接成网状，而节点处被认为是网架结构受力最为薄弱的地方，其稳定性和可靠性与整个网架建筑的安全息息相关。螺栓球节点作为网架结构的通用节点形式之一，其螺纹缺口处的应力集中或高温环境下力学特性的变化，都会影响网架结构的整体承载力，最终导致结构坍塌。因此，应用全螺纹模型研究螺栓球节点的疲劳缺口应力集中及高温力学特性具有重要的现实意义。 本文的研究内容主要包括： （1）网架结构螺栓球节点常幅疲劳试验研究。对螺栓球节点高强度螺栓的常幅疲劳试验数据进行分析研究，以?max和??为设计参量，建立网架结构螺栓球节点的常幅疲劳设计方法。 （2）研究螺栓球节点螺纹缺口对应力集中的影响。从螺纹升角、螺栓直径、栓-球直径比、螺纹牙底圆角半径和多向应力状态五个方面进行了有限元分析。结果表明：无论如何改变螺栓球节点的规格参数，最大应力都出现在高强度螺栓与螺栓球啮合的第一个螺纹牙处；通过计算不同情况下的影响系数，得出螺栓球节点应力集中系数K的通用公式。 （3）探索高温螺栓球节点的力学特性变化规律。分析螺栓球节点M20和M24的高温力学试验数据，研究螺栓球节点屈服载荷和极限载荷的变化规律，为高温网架结构的安全承载提供试验和数据支撑。通过ABAQUS对螺栓球节点进行有限元分析，研究发现：高温螺栓球节点的破坏均位于螺栓螺纹处，当温度T≤300℃时，力学特性总体变化不大；当温度T＞300℃时，屈服载荷和极限载荷都有明显的下降；当温度T＞700℃后，螺栓球节点基本失去承载能力。结果表明温度对螺栓球节点力学特性有较大影响，建议其工作温度不超过300℃。 （4）基于断裂力学理论预估螺栓球节点的疲劳寿命。螺栓球节点的疲劳破坏首先发生在高强度螺栓上，利用高强度螺栓的试验数据预估螺栓球节点的疲劳寿命。通过改变初始裂纹长度和材料的断裂韧性，计算高强度螺栓的疲劳寿命，理论值与试验结果基本吻合，平均误差在30%左右，说明利用断裂力学理论计算高强度螺栓的疲劳寿命精度较高，该研究方法对螺栓球节点的寿命预估具有一定的借鉴意义。

目录

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附表索引

第1章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究概况

1.2.1螺栓球节点疲劳特性研究进展

1.2.2高温螺栓球节点力学特性研究进展

1.3课题来源和研究内容

1.3.1课题来源

1.3.2研究内容

第2章 螺栓球节点常幅疲劳试验研究

2.1常幅疲劳试验研究

2.2基于统计学的常幅疲劳设计

2.2.1常幅疲劳设计方法

2.2.2给定破坏概率下的寿命预估

2.5本章小结

第3章 螺栓球节点疲劳特性研究

3.1 ABAQUS软件概述

3.2应力集中研究概述

3.2.1理论应力集中系数

3.2.2疲劳缺口系数

3.3螺栓球节点缺口应力集中的机理研究

（2）应力集中的微观机理

（3）螺纹对应力集中的影响

3.4螺栓球节点有限元分析

3.4.1螺纹牙型及主要尺寸

3.4.2有限元模型建立

3.4.3螺栓球节点有限元结果分析

3.4.4应力集中系数K计算公式

3.5本章小结

第4章 高温螺栓球节点力学特性研究

4.1高温螺栓球节点试验研究

4.2试验结果及数据处理

4.3高温螺栓球节点有限元模型的建立

4.3.1螺栓球节点参数设计

4.3.2参数设置

4.4高温螺栓球节点有限元结果分析

4.4.1螺栓球节点应力云图

4.4.2极限承载力

4.4.3载荷-温度结果拟合

4.5本章小结

第5章 基于断裂力学的螺栓球节点疲劳寿命预估

5.1基于断裂力学的疲劳寿命预估方法

5.2高强度螺栓疲劳寿命预估

5.3本章小结

第6章 结论与展望

6.1研究工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及科研成果

附录B 螺栓球节点高强度螺栓常幅疲劳试验数据表

附录C 常用螺栓球节点高强度螺栓尺寸表