一、擰緊過程中的能量分配與儲(chǔ)存機(jī)制

1、扭矩分配與能量轉(zhuǎn)化

螺栓擰緊時(shí)，施加的扭矩主要轉(zhuǎn)化為三部分能量：

• 預(yù)緊力做功（約10%）：使螺栓桿部軸向拉伸，儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能，產(chǎn)生要求的預(yù)緊力。

• 螺紋副摩擦耗能（約40%）：消耗于螺紋接觸面的摩擦，摩擦生熱，最終通過熱量消耗釋放出去。

• 螺栓頭下摩擦耗能（約50%）：消耗于螺栓頭/螺母與被連接件接觸面的摩擦。

其中 T 為扭矩，l為桿長，G為剪切模量，Ip為截面極慣性矩。

因此，在擰緊后這部分能力會(huì)儲(chǔ)存在螺栓的桿內(nèi)，這部分扭矩是通過螺紋扭矩傳遞過來的，所以，大致可以認(rèn)為就是螺紋扭矩，正常情況下，螺紋扭矩是小于等于螺栓支撐面扭矩，所以，這個(gè)扭矩不會(huì)因?yàn)榱ⅠR消散掉。

但是，根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)要求，這個(gè)扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力在擰緊完成后，受到外部載荷后，特別是受到剪切載荷，該扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力會(huì)降低，甚至消失到0，但是，為了保守計(jì)算，還是一般按照50%的擰緊時(shí)候的螺紋扭矩存在。

在擰緊過程中，螺栓的桿部會(huì)因?yàn)槁菁y扭矩作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)儲(chǔ)存的能量屬于彈性應(yīng)變能，僅占總能量的小部分（與拉伸應(yīng)變能共存），其大小可定量表示為：

分析認(rèn)為，這部分能量會(huì)在螺栓頭，螺紋部分界面上逐漸消耗掉，但是微觀上基本看不出螺栓頭或螺紋之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、扭轉(zhuǎn)能量的儲(chǔ)存形式

桿部在擰緊時(shí)同時(shí)承受拉伸正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，形成復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能作為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存于材料內(nèi)部，理論上在擰緊停止后存在釋放趨勢(shì)，類似把彈簧儲(chǔ)存的能量釋放掉。

二、扭轉(zhuǎn)能量釋放是否導(dǎo)致螺栓反松？

1、能量釋放的滯后與耗散

• 摩擦力主導(dǎo)的能量耗散：擰緊停止瞬間，螺紋副及支承面靜摩擦力迅速平衡殘余扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，阻止能量釋放引發(fā)回轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，若摩擦系數(shù)足夠大（通常認(rèn)為支撐面摩擦扭矩比螺紋扭矩還是更高，基本可以認(rèn)為不會(huì)產(chǎn)生很大回彈，但是實(shí)際上也確認(rèn)在某些螺栓連接上看到在套筒停止擰緊的瞬間，套筒會(huì)有一個(gè)回彈的現(xiàn)象，不知道大家是否也有發(fā)現(xiàn)這種情況？），扭轉(zhuǎn)回彈量可忽略。

• 回彈效應(yīng)的有限性：即使存在微量彈性回彈（例如<0.5°），其角度遠(yuǎn)小于引起軸向預(yù)緊力顯著下降的閾值（例如一般擰緊一個(gè)螺栓需要擰緊50°，甚至更大的角度，所以，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)基本上微不足道）。

• 實(shí)際上確實(shí)會(huì)發(fā)生預(yù)緊力下降：在采用超聲波測(cè)量螺栓的預(yù)緊力的過程中，發(fā)現(xiàn)會(huì)有這種問題，就是螺栓擰緊完成后持續(xù)測(cè)量螺栓的預(yù)緊力，發(fā)現(xiàn)擰緊后螺栓的預(yù)緊力會(huì)持續(xù)下降，這一方面分析認(rèn)為是擰緊后螺栓的熱量，溫度逐漸下降導(dǎo)致測(cè)試預(yù)緊力降低，另一方面是否就是這種現(xiàn)象呢？擰緊完成后的瞬間，逐漸把這個(gè)扭轉(zhuǎn)彈性變形釋放掉，造成預(yù)緊力的下降，這時(shí)候通常預(yù)緊力下降不會(huì)太大，也就占比擰緊預(yù)緊力的2%以內(nèi)的水平。

2、松動(dòng)的主因是界面滑移，而非能量釋放

理論與實(shí)驗(yàn)研究一致指出，螺栓松動(dòng)的主因是接觸界面微觀滑移（如螺紋副或支承面間的往復(fù)微動(dòng)），而非桿部能量釋放。例如：

• 當(dāng)橫向振動(dòng)引起支承面滑移時(shí)，螺紋副逐漸“步進(jìn)式”旋轉(zhuǎn)松弛。

• 有限元模擬顯示：若支承面摩擦力矩小于螺紋副摩擦力矩，扭轉(zhuǎn)載荷下螺栓更易松動(dòng)。

• 因此桿部能量釋放扭轉(zhuǎn)回彈，不會(huì)對(duì)螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生非常大的影響。

3、反向扭矩需克服靜摩擦

桿部儲(chǔ)存的扭轉(zhuǎn)能量需轉(zhuǎn)化為反向扭矩 T反向≈T擰緊，但此扭矩須大于接觸面靜摩擦力矩方能驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)。實(shí)際中，擰緊結(jié)束后的摩擦力矩要克服靜摩擦，靜摩擦力矩往往會(huì)大于擰緊時(shí)候的動(dòng)摩擦力矩，因此可以說始終滿足 M摩擦>T反向，故螺栓一般無自發(fā)性反松。

三、工程措施與實(shí)驗(yàn)研究

1、增強(qiáng)防松性能的關(guān)鍵因素

• 提高摩擦系數(shù)：增大螺紋或支承面摩擦系數(shù)（如減少潤滑），可顯著提升防松扭矩。實(shí)驗(yàn)表明，無潤滑狀態(tài)螺栓殘余預(yù)緊力衰減率（8%）遠(yuǎn)低于潤滑狀態(tài)（31%）。

• 優(yōu)化頭部結(jié)構(gòu)：六角法蘭面螺栓因增大支承面摩擦半徑，防松性能最佳（殘余力衰減僅6~12%）。