导论
近日，陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室李玉龙教授团队系统地对螺纹连接结构在宽率域力学响应和相关机理、以及螺纹连接结构在冲击疲劳下的失效行为和机理进行了深入研究，取得了系列发现，相关成果分别发表在国际Top期刊《Thin-Walled Structures》和《Engineering Failure Analysis》上，论文的题目分别为“Mechanical Behaviour and Failure Mechanism of 7075 Aluminium Alloy Threaded Connections under Wide Loading Rate“和” Failure Behaviours of Steel/Aluminium Threaded Connections under Impact Fatigue“。
论文的第一作者均为西北工业大学航空学院2023级二年级硕士研究生张晨旭，西北工业大学航空学院苗应刚副教授为通讯作者，研究过程中得到了李玉龙教授、汤忠斌副教授、豆清波副研究员和赵峰副教授的悉心指导和帮助。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、陆空基信息感知与控制全国重点实验室开放基金项目和中国航空科学基金的资助。
1.内容简介
螺纹连接件具有装配方便、可重复使用、性能可靠等优点，是工程结构中的重要部件。然而，在服役过程中，它们易受冲击载荷作用，并因局部应力集中而引发潜在破坏，导致过早失效。因此，采用试验与数值模拟相结合的方法，研究螺纹连接件在宽应变率范围内的力学响应及其冲击疲劳失效行为至关重要。
螺纹连接结构在宽率域下的力学响应和相关机理的研究主要针对M10的7075-Al螺纹连接结构，对其螺纹连接的长度和螺纹的齿距对螺纹连接结构的力学响应的影响进行了深入研究，并提出了一种等效应力应变的计算方法。通过电子万能试验机和改进后分离式Hopkinson拉杆系统完成了螺纹连接结构的准静态和动态测试（如图1），全面探究了螺纹连接结构在宽率域下的力学响应。研究发现：螺纹连接长度显著影响结构的承载能力与失效模式；而螺距则主要影响其抗剪切破坏能力。
图1. 螺纹连接结构的准静态测试(a)和动态测试(b)
由于螺纹连接结构在试验过程中无法观察，因此针对准静态和动态测试得到的螺纹连接结构在宽率域下的力学响应的结果，使用有限元建模和仿真的手段（如图2）对相关机理进行分析。
图2. 螺纹连接结构的有限元仿真模型(a)；仿真的失效效果(b)与试验的失效结果(c)对比
螺纹连接结构在冲击疲劳下的失效行为和相关机理的研究主要是使用一种基于应力波传导的新型加载方法，以实现螺纹连接结构的1 kHz频率的可控冲击疲劳加载。该装置的原理示意图如图3所示。如图4是典型冲击疲劳作用下入射杆和透射杆的应力波的传播历史，对螺纹连接结构实现了频率高达1033 Hz的循环冲击加-卸载过程。
图3. 冲击疲劳试验系统部件参数及原理示意图
图4. 典型冲击疲劳作用下入射杆和透射杆的应力波的传播历史
基于该冲击疲劳试验系统得到了四圈M8×1.0钢/铝螺纹连接结构在1033 Hz的S-N曲线，结果如图5。结果表明，钢/铝螺纹连接结构的载荷与疲劳寿命呈对数线性关系。借助有限元建模和仿真对钢/铝螺纹连接结构在冲击疲劳下的失效行为进行了解释，如图6所示。
图5. 四圈M8×1.0钢/铝螺纹连接结构在1033 Hz的S-N曲线
图6. 钢-铝螺纹连接仿真结果，(a)钢内螺纹应变分布轮廓，(b) 铝外螺纹应力分布轮廓，(c)螺纹上标记的四个位置，(d)四个位置输出的应力-时间曲线。
2.结论
该工作对螺纹连接的长度和螺纹的齿距对螺纹连接结构的力学响应的影响进行了深入研究，借助电子万能试验机和改进后分离式Hopkinson拉杆系统，获取了不同螺纹连接长度与螺距下的宽率域载荷—位移曲线，并提出等效应力-应变归一化方法，实现了对承载效率的快速评估。研究发现，7075铝合金螺纹连接结构的强度对加载速率依赖性极弱；螺纹连接长度显著影响结构的承载能力与失效模式，而螺距主要影响其抗剪切破坏能力。此外，使用了一种基于应力波传导的新型可控冲击疲劳加载技术，实现钢/铝螺纹连接结构的1033Hz频率的可控冲击疲劳加载，揭示了疲劳寿命对冲击载荷幅值高度敏感，验证了该加载方法在螺纹连接结构冲击疲劳性能表征中的可行性。同时，借助有限元建模与仿真技术，对螺纹连接结构的相关机理进行了定量地分析与研究。本研究不仅完善了螺纹连接结构的性能评估与疲劳寿命预测方法，也为其服役性能优化与抗冲击疲劳设计提供了可靠依据。
3.文章信息
[1] Chenxu Zhang, Ruoheng Sun, Jianping Yin, Feng Zhao, Qingbo Dou, Zhongbin Tang, Yinggang Miao*, Yulong Li. Mechanical Behaviour and Filure Mechanism of 7075 Aluminium Alloy Threaded Connections under Wide Loading Rate, Thin-Walled Structures, 2025,215:113555. https://doi.org/10.1016/j.tws.2025.113555.
[2] Chenxu Zhang, Ruoheng Sun, Jianping Yin, Yilun Hu, Qingbo Dou, Zhongbin Tang, Yinggang Miao*, Yulong Li. Failure Behaviours of Steel/Aluminium Threaded Connections under Impact fatigue, Engineering Failure Analysis, 2025;174:109473.
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.tws.2025.113555
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2025.109473
