高锁钛合金螺栓偏心载荷下拉伸断裂仿真与强度预测

冯德荣; 郭绕龙; 余维林; 李超; 李召; 黄张东; 夏进启; 万强

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.004

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高锁钛合金螺栓偏心载荷下拉伸断裂仿真与强度预测

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2025-07-10

- 高锁钛合金螺栓偏心载荷下拉伸断裂仿真与强度预测
- Simulation of tensile fracture and strength prediction of high-lock titanium alloy bolt under eccentric load
- 机械强度 2025年47卷第7期页码：33-41
- 作者机构：
  
  1.河南省紧固连接技术重点实验室，信阳 464000
  2.河南航天精工制造有限公司，信阳 464000
  3.华中农业大学工学院，武汉 430070
- 作者简介：
  
  冯德荣，女，1973年生，河南信阳人，正高级工程师；主要研究方向为紧固件检测技术；E-mail：xyfdrong@126.com。
  万强，男，1989年生，湖北咸宁人，博士，副教授，硕士研究生导师；主要研究方向为金属材料表面改性；E-mail：wanqiang0915@163.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(11905082)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.004
  中图分类号： TG115
- 收稿日期：2023-10-14，
  
  修回日期：2024-01-02，
  
  纸质出版日期：2025-07-15
- 稿件说明：
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冯德荣，郭绕龙，余维林，等. 高锁钛合金螺栓偏心载荷下拉伸断裂仿真与强度预测［J］. 机械强度，2025，47（7）：33-41.

FENG Derong，GUO Raolong，YU Weilin，et al. Simulation of tensile fracture and strength prediction of high⁃lock titanium alloy bolt under eccentric load［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：33-41.
冯德荣，郭绕龙，余维林，等. 高锁钛合金螺栓偏心载荷下拉伸断裂仿真与强度预测［J］. 机械强度，2025，47（7）：33-41. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.004.

FENG Derong，GUO Raolong，YU Weilin，et al. Simulation of tensile fracture and strength prediction of high⁃lock titanium alloy bolt under eccentric load［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：33-41. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.004.

摘要

高锁钛合金螺栓偏心安装（螺栓头部与紧固板存在装配角度）会带来过早失效问题，严重影响航天飞行器的安全运行。而现有试验研究又难以获得螺栓断裂过程，继而影响断裂原因分析。同时，试验研究无法获得连续安装角度下螺栓断裂强度变化值。因此，针对偏心安装下高锁螺栓提前断裂的问题，通过有限元分析方法，结合试验对模型验证，利用有限元模型实现偏心安装下螺栓断裂过程可视化与不同角度偏心安装下螺栓抗拉强度预测。研究结果表明，有限元分析获得的安装角度0°与3°螺栓的抗拉强度和断裂位置与试验结果的一致性好，说明有限元模型具有较好的准确性；随安装角度的增大，螺栓头与螺纹均受到偏心载荷，产生的弯矩加剧了这两个区域的应力集中；角度

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时螺纹处应力较大，角度

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时头部应力较大；有限元模型成功实现1

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、2

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、4

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下的螺栓抗拉强度预测。研究结果有效揭示了偏心载荷作用下高锁钛螺栓的断裂机制，同时仿真模型可实现不同安装角度下螺栓抗拉强度预测，为偏心螺栓服役提供技术说明。

Abstract

The eccentric installation of high-lock titanium alloy bolts (an assembly angle between the bolt head and the fastening plate) leads to premature failure

which seriously affects the safe operation of aerospace aircraft. Currently

the test research is difficult to obtain the bolt fracture process

which in turn limits the revealing of fracture mechanism. Meanwhile

test research cannot obtain the fracture strength variation value of bolts with different assembly angles. Therefore

in response to the problem of premature fracture of high-lock bolts in the eccentric installation

finite element analysis method was employed and the model was verified by test. The verified finite element model was used to visualize the fracture process of eccentric installation bolts and predict the tensile strength of eccentric installation bolts with different angles. The research results indicate that the tensile strength and fracture position of bolts with installation angles of 0° and 3° obtained from finite element analysis are consistent with the test results

which show that the finite element model has good accuracy. As the installation angle increases

both the bolt head and thread are subjected to eccentric loads

and the bending moment generated aggravates the stress concentration in these two areas. When the assembly angle is less than 3°

the stress at the thread is larger

and when the angle is over 3°

the stress on the head is greater. The finite element model successfully predicts the tensile strength of bolts with an assembly angle of 1°

2°

and 4°. The research results effectively reveal the fracture mechanism of high-lock titanium alloy bolts under the eccentric load. Meanwhile

the simulation model can predict the tensile strength of bolts under different installation angles

and provide technical specifications for the service of eccentric bolts.

关键词

Keywords

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