Shakeri I, El Bamby H, Tankova T, et al. Fatigue life prediction methodology for L-flange connection under different preload levels based on crack growth analysis[J]. Thin-Walled Structures, 2025, 217: 113893.
Shakeri, Iman, et al. " Fatigue life prediction methodology for L-flange connection under different preload levels based on crack growth analysis." Thin-Walled Structures 217 (2025): 113893.
Shakeri, I., El Bamby, H., Tankova, T., & Veljkovic, M. (2025). Fatigue life prediction methodology for L-flange connection under different preload levels based on crack growth analysis. Thin-Walled Structures, 217, 113893.
背景简介
全球对可再生能源需求的不断增长推动了风力发电技术迅速发展，其中L型螺栓-法兰连接作为风力涡轮机塔段连接并传递复杂运行载荷的关键部件，在循环轴向和弯曲载荷作用下极易发生疲劳破坏。螺栓预紧力是影响其连接疲劳性能的主要因素，适当的预紧力可通过界面摩擦传递外部载荷，减少螺栓自身的应力波动，从而延缓疲劳损伤。然而实际工程中的预紧力常因紧固工艺不确定性、几何缺陷或安装误差而偏离设计值，甚至会随着时间因沉降、振动或塑性变形而逐渐损失，显著影响连接的疲劳寿命。当前如欧洲规范3（Eurocode 3）提供的螺栓连接疲劳寿命预测方法基于纯轴向加载试验，未充分考虑法兰连接中因偏心引起的弯曲效应，导致预测结果过于保守。同时现有规范缺乏对预紧力损失和弯曲-轴向耦合载荷作用下应力强度因子的明确指导，限制了工程适用性，因此发展一种基于断裂力学、综合考虑预紧力水平和真实载荷状态的疲劳寿命预测方法，对提高法兰连接的设计准确性与可靠性具有重要意义。
成果介绍
（1）图1比较了带螺纹角螺纹和轴对称螺纹的螺纹杆在轴向力和弯矩作用下的裂纹模拟计算结果。结果表明，对于短裂纹，螺纹螺旋角对应力强度因子的影响不显著响；然而在轴向载荷作用下，随着裂纹长度的增加，忽略螺纹螺旋角会导致应力强度因子略有增加。此外，尽管短裂纹（a/Dminor<0.05）在轴向和弯曲载荷下的应力强度因子较为接近，但随着裂纹扩展，轴向载荷下的应力强度因子增长率高于弯曲载荷。这是由于在弯曲载荷作用下，裂纹前缘区域处于受压状态，不促进裂纹张开，同时应力梯度降低了有效裂纹驱动力，从而导致弯曲工况下的疲劳损伤相对较小。
图1 螺纹螺旋角和加载条件对轴向和弯曲载荷下裂纹应力强度因子的影响
（2）图2展示了模拟计算得到的不同预紧力水平（包括无预紧力情况）下螺栓力的变化情况。随着预紧力提高，螺栓力在外部载荷作用下的平台区延长，外部载荷向螺栓的传递起点相应提高（图2 (c)），且不同预紧力水平下的载荷传递函数最终收敛于螺栓极限强度所对应的静力破坏点（图2 (b)）。基于最小二乘拟合，建立了预紧力在37%至94%范围内的载荷传递函数的多项式模型（图2 (d)）。
图2 (a)不同预紧力水平下螺钉力随预紧力和外载荷加载的演变 (b)不同预紧力水平下螺钉力随外载荷加载的演化 (c)外载荷以函数形式传递到螺钉的部分 (d)启动向螺栓传递载荷所需的外载荷函数 (e)不同预紧力水平下螺栓绕Z轴的弯矩随外载荷的变化
（3）提高预紧力可有效降低应力集中因子范围，抑制裂纹扩展，从而延长疲劳寿命；但当预紧力超过屈服强度的90%后，其提升效果变得微乎其微。研究显示，Eurocode 3所提供的S-N曲线（图3 (b)）由于未考虑法兰连接出现的弯曲载荷作用，预测结果偏于保守。此外，预紧力的微小损伤也会显著降低疲劳寿命，如预紧力从75%下降至62%时会导致疲劳寿命下降73%，且这种影响在预紧力水平较高时更为突出。
图3 基于(a)施加在塔壳的外部应力范围和(b)螺栓轴向应力范围的不同预紧力水平下的S-N曲线
致谢
本文第一作者：Iman Shakeri（Delft University of Technology），通讯作者：Iman Shakeri（Delft University of Technology）。
本期小编 罗凌颖（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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