從螺栓松動理論、松動試驗、松動仿真和防松措施等方面對螺栓松動研究進行了歸納總結；

從螺栓疲勞理論、疲勞試驗、疲勞仿真和疲勞壽命預測方法等方面對螺栓疲勞問題進行了對比綜述；

對螺栓區疲勞試驗和螺栓松動與疲勞競爭失效機制進行了介紹；

最后對未來螺栓接頭的研究方向以及亟待解決的問題進行了評述和探討，以期對螺栓失效研究以及工程實踐具有一定的指導和幫助。

眾所周知，螺栓連接作為一種重要的連接方式，廣泛應用于汽車、輪船、軌道車輛、航空航天、家用電器等領域。如今，工程上越來越多地使用螺栓連接，而螺栓接頭作為整個結構最薄弱的部位影響了結構的整體剛度，導致結構的固有頻率下降。

螺栓失效受多種因素影響，主要失效形式包括：橫向載荷作用下螺栓的松動、軸向載荷作用下螺栓的疲勞、螺栓連接區疲勞、蠕變斷裂、腐蝕斷裂、韌性斷裂和氫脆等，而螺栓的松動與疲勞斷裂是最常見的2種失效形式。

近年來，為提升螺栓接頭的強度，越來越多地采用高強度螺栓。地鐵車輛系統中也廣泛采用了高強度螺栓連接，尤其是制動單元與轉向架之間的螺栓接頭決定著車輛運行的可靠性。因此，對螺栓失效研究具有重要意義。

之前對螺栓失效的研究主要基于螺栓試驗和理論計算兩方面，近年來有限元仿真研究越來越占據主流，但如何準確模擬螺栓接頭及準確提取螺栓受力？尚待深入研究。

對于螺栓的失效問題，仍然有很多問題沒有得到很好地解決，如微動松動、微動疲勞、螺栓區疲勞、螺紋牙受力等。因此，開展螺栓接頭的失效評估顯得尤為重要。

螺栓失效研究，主要圍繞螺栓松動、螺栓疲勞和螺栓區疲勞以及螺栓松動與疲勞競爭機制等展開。本文將從這4個方面入手，對螺栓失效研究進行全面梳理和研究，旨在討論螺栓失效評估理論和方法，為工程應用提供一定的參考。

1、螺栓松動

在動態載荷如振動、沖擊以及循環載荷等作用下，常常會導致螺栓松動，螺栓松動是螺栓連接結構的主要失效形式，其不僅會引發機械異響或介質泄漏等問題，甚至還會造成嚴重的工業事故。

由于松動機理復雜且松動過程監測困難，至今尚未形成統一全面的認識。本節將通過螺栓松動理論、松動試驗、松動仿真以及防松措施這4個方面進行論述。

1.1 螺栓松動理論

螺栓的松動過程一般都是非線性的，往往是螺紋的接觸部位發生微觀滑動現象，然后漸漸轉化為宏觀的松動現象。

精確測量螺栓松動和研究螺栓松動機理是預測螺栓松動的前提，但是受技術條件以及觀測難度等因素限制，迄今為止還未能形成很好的直接監測螺栓松動的方法。關于螺栓松動機理也一直是人為假設，沒有夯實的理論支撐。

螺栓主要是在橫向載荷下發生松動失效，失效原因有以下解釋：

如圖1(a)所示，當一個物塊在平面上時，若需要將它移動，則可以在1方向施加一個能夠克服最大摩擦力(μmg)的力，但是如果當2方向有這樣的一個力，那么1方向只需要提供很小的力就可以推動物塊。

如圖1(b)所示，當物塊在斜面上時，由于傾斜角度小于摩擦角，所以物塊有自鎖作用，不會向下滑動。但是如果給物塊施加一個橫向激勵，那么物塊就會在重力的作用下向下滑動。

螺栓松動就類似于這樣的過程，只不過重力類似于螺栓預緊力、軸向載荷等一些軸向力，橫向激勵類似于螺栓的橫向載荷。Jiang等通過螺栓接頭扭轉疲勞試驗驗證了螺栓接頭松動主要是由接觸表面上的微滑動造成的。

螺栓松動還可以用能量理論來解釋。Yamamoto 等認為螺栓的擰緊、松動與能量有關，本質上是能量的聚集與耗散，認為螺栓在擰緊時注入了多余的能量，而當螺紋副之間發生相對滑動時，多余的能量被釋放出來，螺栓開始反向轉動。

為了從能量角度更加深入地研究螺栓松動原理，Andrew等研究發現螺栓的能量耗散程度與螺紋接觸面的粗糙程度、外載荷作用形式、外載荷頻率以及幅值有關。

1.2 螺栓松動試驗

螺栓松動主要由橫向載荷引起，因此研究螺栓松動主要考慮橫向載荷對螺栓的影響，但也有專家學者就軸向載荷對螺栓松動的影響進行了研究。所以本節將螺栓松動試驗分為橫向載荷與軸向載荷2種形式分別敘述。

圖1 螺栓松動機理解釋模型

1.2.1 橫向載荷下的螺栓松動試驗

關于橫向載荷對螺栓松動的影響，最早由Junker率先對橫向載荷下的螺栓松動進行了研究，設計了Junker橫向振動試驗機，并利用此試驗機對螺栓進行了橫向振動試驗。

通過分析螺栓接頭殘余預緊力的大小，提出螺栓受到橫向載荷(或橫向位移)時，螺栓更容易發生松動，即橫向激勵是螺栓松動的最大影響因素。Junker的研究為橫向振動下的螺栓松動理論奠定了基礎，他所設計的緊固件橫向振動試驗機與試驗方法沿用至今。

Yamamoto等首先發現螺栓螺桿在橫向振動下會發生扭轉變形，當扭轉變形累積到一定程度后，螺桿會發生回轉，從而導致螺栓松動。

Chang等提出螺栓的松動可分為材料松動期與結構松動期2個階段，并且發現螺栓塑性變形會引起螺栓預緊力的下降。

國內專家學者也對橫向載荷下的螺栓松動過程進行了深入的研究。李海江等對橫向振動下的螺栓松動過程進行了試驗研究，發現在松動初期，預緊力與橫向振動次數之間滿足雙指數函數關系，且振動位移幅值越大，螺栓越容易松動。

姜世霖等在此基礎上，研究發現橫向振動頻率對松動的影響較小，橫向位移幅值是影響螺栓松動的主要因素。并且進一步發現橫向位移幅值存在門檻值，在低于某個幅值的振動下，螺栓不會發生松動，在達到疲勞壽命后，直接發生疲勞斷裂。以上試驗結果表明，橫向位移幅值是螺栓松動的主要原因。

1.2.2 軸向載荷下的螺栓松動試驗

由于軸向載荷對螺栓具有自鎖作用，在彈性范圍內，螺栓張緊力并不會持續降低，只是在一定范圍內波動，所以研究螺栓在軸向載荷作用下的松動大多是集中在塑性變形及微動磨損方面。

Ibrahim等進一步研究了螺栓松動原因，發現螺栓在軸向振動下，螺紋接觸面間會發生磨損，而磨損會導致螺栓張緊力下降，進一步導致摩擦力下降，在這種相互負反饋的作用下，螺栓連接開始松動。

此外，Liu等還進行了L型短柱螺栓接頭在周期性彎曲與軸向載荷下的松動試驗和數值計算。結果發現，隨著激勵大小、偏心率、螺紋損壞、自松程度以及初始預緊力的增加，螺紋的損壞和自松弛的程度減小。

以上螺栓松動試驗研究直觀地反映了螺栓在不同載荷形式下的松動問題，研究橫向載荷時往往都是基于橫向振動試驗機進行的。

目前主要是國外專家學者通過試驗研究軸向載荷對螺栓松動的影響因素，其中橫向載荷與軸向載荷施加形式基本都是循環載荷，但是循環載荷卻不僅限于軸向和橫向，還有諸如偏心載荷、彎曲載荷等，可以在未來進行更好地研究。

以后還可以開展螺栓在隨機載荷作用下的松動試驗，以更好地貼近螺栓實際運用中的松動問題。

1.3 螺栓連接松動仿真

由于螺栓接頭接觸面是封閉的，很難時時監測螺栓受力及失效過程，螺栓的試驗研究也僅限于得到螺栓松動試驗結果，而很難監測到螺栓具體的松動過程。所以針對這種情況，有必要利用有限元仿真來模擬螺栓松動失效形式，分析螺栓松動過程，找出松動原因并提出理論假設。

螺栓有限元建模方法主要分為有限元數值建模和理論建模兩方面，目前對螺栓的建模方法主要集中在有限元數值建模上。

鞏浩等通過多種有限元仿真對比，發現除了塑性變形和螺紋間相對旋轉外，應力再分布是導致預緊力衰退的另一個重要原因，并且提出了螺栓預緊力衰退曲線的3個階段：第1階段為非線性快速衰退；第2階段為預緊力線性衰退；第3階段為螺栓發生疲勞斷裂，預緊力快速降至0。

鄔杰等通過精細化數值模型研究了不同因素對螺栓連接結構橫向松動壽命的影響，發現橫向力與預緊力對旋轉松動剛度的影響是單調遞減的，螺紋面摩擦因數對旋轉松動剛度的影響是單調遞增的。

此外，發現采用線性的松動壽命預測函數評估螺栓連接結構服役壽命具有較高精度。Zhang等建立了螺紋表面磨損輪廓演變的有限元模型，結果表明，螺紋之間接觸應力的變化會導致預緊力逐漸減小，從而產生微動磨損。

Nassar等基于微分方程和試驗提出了一種數學模型來研究螺栓松動，發現對于同樣的載荷幅值，頻率越低可能會使螺栓更容易松動。

Samantaray等進行了螺栓接頭的三維有限元分析，研究了靜態載荷對螺栓連接桿結構的完整性、撓度性能、螺母和螺栓的松動以及變形特性的影響，以提高軌道接頭的性能和延長預期壽命。

有限元仿真可以高效精確地模擬螺栓失效，是驗證理論假設、佐證試驗規律的有利工具。

上述幾種模型都屬于螺栓精細化模型，運用了能量法、數值模型、微分法等多種建模方法，可以很好地模擬螺栓松動失效。

1.4 螺栓防松措施

螺栓防松措施有很多，大致可以分為保持預緊力、破壞螺紋副運動關系、摩擦防松等。

1.4.1 保持預緊力

保持預緊力是最直接的螺栓防松方法。Ding等提出保持足夠的螺栓拉力，從而保持初始預緊力，使接頭和螺桿更緊密地配合，可以防止接頭在彎曲時喪失結構完整性。

Liu等將MoS2作為涂層涂在螺栓上以保持螺栓預緊力，發現此方法具有很好的防松效果。

1.4.2 破壞螺紋副運動關系

防止接觸面相對滑移是從載荷輸入的方面考慮防松，此方法破壞螺栓螺紋關系，不可拆卸，適用于永久性連接中。包括：

(1)焊接，將螺母焊接于螺桿上；

(2)沖點，用沖頭在螺桿末端與螺母面旋合縫處打沖，利用沖點防松；

(3)涂膠粘劑，在螺紋副間涂液體膠粘劑，膠粘劑固化后能防止螺母轉動；

(4) 鉚合，螺栓擰緊后將螺桿末端伸出螺母的部分鉚死，阻止螺栓松動。

1.4.3 摩擦防松

唐氏螺紋(圖2)屬于摩擦防松，它同時具有左旋螺紋和右旋螺紋，在裝配時，可以同時安裝2個不同旋向的螺母，先安裝右旋螺母，之后再安裝左旋螺母。當發生松動時，2個螺栓的旋轉方向相反，可以相互約束。試驗測得這種螺栓結構具有較好的防松效果。

螺栓松動是螺栓失效的主要原因之一，目前主要基于能量理論來解釋螺栓松動機理，認為螺栓的預緊和松動是能量的聚集與耗散過程。

在分析造成能量耗散以及松動的原因時，一般認為橫向載荷是造成松動的主要原因，并且載荷頻率與松動關系并不大，而載荷幅值會對松動產生較大的影響，所以現階段的研究更多集中在載荷幅值、加載形式等。

由于螺栓工作區域很難監測，所以在分析松動具體過程時，有限元模型可以很好地幫助模擬，并有望成為未來螺栓研究的主流方法。

圖2 唐氏螺紋

2、螺栓疲勞

除了螺栓松動之外，螺栓疲勞也是螺栓失效的一種重要形式。基于現有的強度理論模型來計算螺栓疲勞仍舊比較困難，在實際工程中往往根據經驗來確定螺栓疲勞失效，但具有較大的誤差。

對于螺栓疲勞失效研究，本文將通過螺栓疲勞理論、螺栓疲勞試驗、螺栓疲勞仿真以及螺栓疲勞壽命預測四部分分別進行闡述。

2.1 螺栓疲勞理論

大量的疲勞試驗和破壞事故表明：裂紋源總是起始于應力集中的位置，應力集中是構件發生疲勞破壞最主要的原因。零件在生產時不可避免地存在缺口、夾雜等制造缺陷，在外力作用下，缺口處承載面積減小產生局部高應力，引起應力集中導致部件出現微小裂紋，繼而擴展成大裂紋，最后斷裂。

這種隨著載荷循環的累積而逐漸斷裂的現象，可以用疲勞累計損傷理論來描述。其中，Miner線性累計損傷理論應用最廣泛。根據Miner線性累計損傷理論可以知道疲勞具有以下特點:

(1) 僅在受到外界擾動作用的情況下才會出現；

(2) 局部的高應變或者高應力是疲勞破壞的根源；

(3) 在得到充分的載荷擾動之后才會形成疲勞破壞，產生裂紋或全部斷裂；

(4) 疲勞需要適當的發展過程。

根據以上疲勞理論，可以對螺栓進行相應的疲勞試驗以及仿真模擬。據統計，對于螺栓連接結構，有半數以上的破壞是由于螺栓疲勞導致。

螺栓疲勞主要是在軸向載荷作用下，螺紋牙根部、螺栓頭等部位產生應力集中，然后再產生微裂紋，最后擴展直至斷裂的過程。

幾乎所有的零部件都面臨疲勞問題，而由于螺栓連接處應力較大，工作環境更為惡劣，因此針對它的疲勞研究顯得尤為重要。

2.2 螺栓疲勞試驗

Guo等通過對螺栓接頭開展疲勞試驗發現，高強度鋼基材和多孔板在有限的疲勞范圍內表現出了良好的疲勞性能，疲勞極限高于理論值，且應力集中會降低螺栓的疲勞強度，隨著疲勞循環次數的增加，螺栓會發生瞬時斷裂。這表明應力集中是疲勞破壞的根源。

Diana等研究發現不銹鋼螺栓可以用玄武巖纖維增強聚合物(BFRP)螺栓代替，且不會影響接頭的靜態和疲勞性能。

Wang等研究不銹鋼螺栓在拉伸和剪切載荷下的疲勞性能時發現，就拉伸疲勞而言，與螺栓螺母相鄰的區域是最容易受到破壞的部分，最大主應力主導著剪切面上帶有螺紋的緊固件的疲勞壽命。空心螺栓的疲勞強度略高于普通螺栓，并且建議修改剪切疲勞的規定，以實現更高的精度及更好地應用。

以上試驗研究也證實了螺栓疲勞理論，螺栓發生疲勞破壞前都會產生應力集中。

螺栓雙搭接接頭在工程中非常常見，是一種典型的螺栓連接方式，專家學者對此進行了深入研究。

Chakherlou等對2024-T3鋁合金的雙搭接螺栓接頭試樣進行了疲勞試驗，研究了螺栓預緊力對螺栓雙搭接接頭疲勞壽命的影響，發現預緊力增加了螺栓疲勞壽命。

Esmaeili等在此基礎上對2024-T3鋁合金雙搭接螺栓接頭進行了多軸疲勞分析，認為螺栓連接可以通過增加螺栓孔周圍的壓應力來增加預緊力，從而增加螺栓疲勞壽命。根據以上的試驗結論可以知道，增大預緊力是提高螺栓疲勞壽命的有效方法。

以上試驗研究反映了不同材料、不同載荷形式對螺栓疲勞的影響，可與有限元仿真結果相互佐證。

2.3 螺栓疲勞仿真

與螺栓松動類似，對螺栓疲勞的試驗研究也僅局限于螺栓在特定載荷下的試驗結果，所以有限元仿真是螺栓疲勞分析最常用的一種方法。

Gaiotti等對鋼-復合材料螺栓接頭進行了非線性有限元仿真，獲得了船舶側殼復合材料層合板的漸進破壞曲線，并用試驗結果驗證了仿真模型的正確性。

Poovakaud等運用一種簡化的建模技術建立了螺栓接頭的三維實體模型，得到了在準靜態和疲勞載荷條件下最優的螺栓接頭有限元模型，對裂紋起始位置和接頭疲勞壽命的進一步研究提供了參考。

湯春球等對螺栓疲勞進行了有限元仿真分析，發現螺栓疲勞失效發生的最危險區域為內外螺紋嚙合的尾端，并且應力幅值越大導致螺栓的疲勞壽命越短。徐忠根等建立了雙剪切面螺栓連接板的有限元模型，分析了端距和螺栓布置形式對連接板的荷載-位移曲線、應力分布規律和破壞模式等方面的影響，認為螺栓連接構件的端距可以放寬到1.2d0范圍內，且其承載力應適當降低。

2.4 螺栓疲勞壽命預測

相比螺栓松動，螺栓疲勞壽命預測有更豐富的理論模型與方法，并且可以與有限元仿真等結合起來。

Zhang等基于波能量耗散(WED)的線性聲學方法和基于聲學非線性(CAN)的振動聲調制(VM)方法對3種類型螺栓接頭的松動和殘余扭矩進行了定量估計，建立了一種基于赫茲接觸理論的分析模型，從而將波能量耗散與松動螺栓的殘余扭矩聯系起來。

結果表明，基于CAN的VM方法比基于WED的線性聲學方法具有更高的準確性和敏感性，并且具有檢測多類型螺栓松動的優點。

Bartsch等得到了對螺栓接頭準確的數值模擬方法，并使用有效缺口應力概念評估了螺栓接頭的抗疲勞性能，為端板螺栓接頭中的螺栓和焊縫設計提供了參考。

Liu等提出了一種螺栓的累積疲勞損傷評估方法，并且提出了一種簡化的建模策略，以避免對整個應力循環歷程進行復雜的計算，簡化效果較好。

螺栓疲勞壽命預測方法包括有限元仿真、基于力學與數學理論的推導或試驗等，并且可以根據精度的不同選擇不同的預測方法。螺栓疲勞是螺栓最常見的失效形式，目前對于螺栓疲勞的研究一般基于疲勞S-N曲線來建立螺栓應力與壽命的關系。

在試驗的基礎上進行有限元仿真模擬也可以很好地彌補試驗帶來的誤差。螺栓的疲勞失效源自于短裂紋的影響，未來可以將短裂紋的產生、擴展與螺栓疲勞相結合進行更加深入的研究。

3、螺栓區疲勞

3.1 螺栓區疲勞

螺栓區是指螺栓頭和螺母壓著的母材區。對螺栓接頭的研究一般很少考慮螺栓區，但是在某些特殊情況下，螺栓區的疲勞也不可忽略。

例如列車在高速運行時，螺栓區受到交變的橫向、垂向和縱向載荷作用，非常容易產生疲勞破壞，并且母材在螺栓連接處受到的應力最大，在與螺栓頭邊角接觸的地方還會產生應力集中，對母材以及螺栓頭具有相當大的破壞性。

由于螺栓與螺栓區都是法向接觸，故軸向載荷對此有較大的影響，相關的研究也都是基于軸向載荷，所以本節將對軸向拉壓載荷下螺栓區的疲勞強度研究進行論述。

3.2 軸向拉壓載荷下的螺栓區疲勞

與螺栓螺母接觸的母材區表面在微觀上是粗糙不平的，在軸向循環載荷作用下，粗糙面上突起的部分首先發生接觸，然后發生塑性變形，使得接觸面變大，增大了軸向載荷的承受能力。但是隨著循環次數的增加以及載荷的增大，母材很容易發生疲勞現象，嚴重時甚至會發生壓潰破壞。

謝元洪認為在預緊力作用下，被連接件表面與螺栓頭或螺母支撐面處會產生塑性變形，并且隨時間遷移，材料會發生蠕變，導致張緊力的減小，從而導致螺栓松動疲勞，并且材料表面的微凸體最先變形并且發生屈服。

Liu等進行了軸向張力循環載荷下盲孔螺栓疲勞性能的試驗研究，發現盲孔螺栓的疲勞強度在可變振幅疲勞載荷下低于恒定振幅疲勞載荷下的相應值。以上研究表明，不規則的振幅更能引起螺栓區產生疲勞，并且與振幅的最大值有很大關系。

總的來說，相對于螺栓的松動與疲勞研究，針對螺栓區疲勞的研究相對較少，螺栓區疲勞可成為未來螺栓研究的另一個方向。

未來可從不同材料、接觸環境(如濕度、溫度、溫差)、表面粗糙度等方面研究螺栓與母材的相互作用以及對螺栓區進行疲勞失效分析。

4、螺栓松動與疲勞的競爭失效機制

螺栓一般在橫向載荷下發生松動失效，在軸向載荷下發生疲勞失效。但是在實際工作環境中，橫向載荷與軸向載荷都是同時存在的，所以螺栓的松動與疲勞都有可能發生。

而在防止螺栓失效時，一般只考慮其中一種失效方式，所以需要得出螺栓松動與疲勞的競爭失效機制，預測螺栓在特定的工作環境中會產生何種失效形式，對實際工程與應用都有很大的幫助。

競爭失效機制試驗主要是研究螺栓在不同的受力情況下，哪種失效形式最先發生。

文獻中，姜世霖提出了螺栓松動D-N曲線與材料疲勞S-N曲線在對數坐標下同樣具有雙直線、高低周分界的特性。

為了對此做一些研究與試驗，姜世霖等自制了一種同時提供螺栓橫向載荷與軸向載荷的工裝夾具(圖3),可以通過調整不同的橫向載荷與軸向載荷比例來模擬螺栓不同的工作環境，以研究螺栓在橫向與軸向激勵同時作用下的失效問題。

圖3 拉扭工裝夾具

5、螺絲君經驗總結

螺栓松動和疲勞的發生受多種因素影響，由于螺栓松動和疲勞的復雜性，以及無法直接觀察松動或疲勞時螺紋的具體狀態，因此只能建立一些相近的模型以及近似理論來描述。

目前對螺栓松動和疲勞的研究主要從螺栓松動、螺栓疲勞、螺栓區疲勞等幾個方面進行。而由于螺栓失效問題的復雜性，許多問題需要進一步深入研究。

(1) 螺栓松動理論

螺栓松動本質上是能量的聚集與耗散，橫向載荷是螺栓松動的主要原因，螺栓松動試驗和仿真互相驗證。由于螺栓結構的特殊性，無法觀測螺栓具體松動過程，所以以后的松動研究可放在如何監測螺栓的動態松動過程上。

(2) 螺栓疲勞理論

從理論研究、試驗分析、疲勞仿真以及疲勞壽命預測方法4個方面總結了目前螺栓疲勞方面的研究進度和成果。螺栓疲勞相當于特殊形狀的金屬疲勞，可以將普通松動涉及的短裂紋擴展與螺栓疲勞結合起來進行更加深入地理論研究。

(3) 螺栓區疲勞

目前，專門針對螺栓區疲勞的研究還比較少，更多的是在研究松動或者疲勞時作為一種需要考慮的因素加入相關試驗或仿真。對螺栓區疲勞的研究可以將螺栓研究的范圍擴大，使得螺栓失效問題的研究不僅僅在螺栓上面，而是進一步把目光放在螺栓以外的因素。

(4) 螺栓松動與疲勞的競爭失效機制

螺栓松動與疲勞競爭失效是一個較新的研究方向，它不只專注于螺栓單方面的松動或疲勞，而是將有可能發生的松動與疲勞同時作為考慮對象，研究這兩者在不同的載荷下哪種先發生，哪種對螺栓失效起了主導作用。

在螺栓服役過程中，同時承受橫向剪切載荷與軸向拉壓載荷，憑借單一的載荷形式得出的試驗結果無法用于復雜環境的螺栓失效預測，所以，對螺栓松動與疲勞的競爭失效機制的研究有較大的實用性，未來可作為螺栓研究的一個新的方向。

作者：徐 陽，陽光武，楊 龍，肖守訥

單位：西南交通大學牽引動力國家重點實驗室

審核編輯：郭婷