螺栓组强度（精选7篇）
螺栓组强度 篇1
1 高强度螺栓性连接的类型和受力特点
高强度螺栓连接被应用到桥梁建设中时, 螺栓承受剪力和拉力两种力量, 高强度螺栓在承受拉力时, 负荷在螺栓上的预拉力没有特别明显的变化, 即增加的预拉力并不大, 在承载外拉力时主要通过减少靠板之间的夹紧力来实现, 这样能保证板件之间的夹紧状态一直持续不变。高强度螺栓在承受剪力时, 由于受力要求以及设计方面存在诸多差异可以将螺栓进行分类, 主要可以分成承压型以及摩擦型两种类型。
1.1 承压型
承压型高强度螺栓连接在进行受剪设计时, 只能够保证桥梁结构在使用荷载一切正常的前提下, 外剪力不会超过摩擦力的最大值, 此时外剪力的受力性能与摩擦型性能一致;如果桥梁结构在使用荷载上超出正常荷载值, 那么外剪力超过摩擦力最大值的可能性就非常大, 一旦发生这种情况, 就会发生被连接板件之间滑移变形的现象, 这一现象一直持续到螺栓杆与孔壁的一面发生接触。桥梁钢结构高强度螺栓组在此之后就只能依靠板件接触面摩擦力、螺栓杆身剪切以及孔壁承压同时进行传力工作, 一旦超过了螺旋杆身剪切和孔壁的最大承压能力就会造成孔壁承压或者杆身剪切发生破坏。
1.2 摩擦型
摩擦型高强度螺栓连接在进行受剪设计时, 其受力极限为外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的最大摩擦力。为了保证桥梁高强度螺栓连接的外剪力低于摩擦力的最大值, 才能够达到桥梁结构螺栓能够有效地承受摩擦力, 避免板件之间相对滑移变形现象的发生。
2 桥梁钢结构高强度螺栓连接的选型
高强度螺栓连接除具有一般螺栓连接的优点外, 还具有连接刚度更强、整体效果更加明显的特点, 当然也存在一些缺点, 主要是成本较高和安装与制造方面要求更加严格等方面。
高强度螺栓连接主要分为承压型高强度螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接, 在进行这两种螺栓选型时应该将连接部位、结构受力特点以及荷载的类型纳入到考虑范围中。
2.1 承压型
高强度螺栓连接的设计承载力相对于摩擦型高强度螺栓连接的效果要更好, 能够使螺栓的使用量得到相应的减少, 但是缺点在于刚度较弱、整体效果不够明显, 主要被应用到间接动力荷载结构互或发挥静力荷载的作用。承压型高强度螺栓连接在我国的应用范围相对较小, 由于在使用和设计方面的经验相对不足, 很少被应用到桥梁建设中。在进行承压型高强度螺栓连接计算时应该按照规范和标准进行, 承受的荷载力主要包括同时承受杆轴方向拉力和剪力、抗剪连接、在杆轴方向的受拉连接的承压型高强度螺栓的连接。钻成孔为承压型高强度螺栓应该使用的孔型, 在对其进行布置时多采用错列形式, 螺栓杆、垫圈以及螺栓杆的钢材质量都有严格要求, 应该将高强度钢材应用到以上设施的制作中, 为了使高强度螺栓各个部分达到更好的刚度效果必须对其进行热处理。
2.2 摩擦型
高强度螺栓连接不但刚度强, 整体效果好, 而且抗疲劳性能更好、变形不明显同时还具有受力可靠的特点, 能够保证板件接触面间的摩擦力始终不会被试用期间的外剪力所超过, 还能够避免板件之间相对滑移变形现象的发生。能够被广泛应用于荷载结构的高空安装连接、构件的现场拼接等项目中去, 因其优势明显, 被广泛应用到桥梁建设中。
3 高强度螺栓
在进行桥梁钢结构设计时通常采用型号为10.9级的高强度螺栓, 高强度螺栓要想达到对摩擦面进行压紧的效果就需要对螺栓施加预拉力, 随着螺栓直径的不断增加, 螺栓有效截面积也随之增大, 同时会产生更大的预拉力。
高强度螺栓连接板应该与木材配钻, 同时还应该对对位标记进行保留, 进行现场安装时必须先进行多处定位, 定位工具为锥形定位销, 这有这样才能够确保螺栓把合的精度符合要求同时也能够使连接质量满足桥梁工程建设的规定。高强度螺栓在接头处的强度须与木材相统一, 这是由高强度螺栓所发挥的作用决定的。高强度螺栓的功能在于延长母材, 因此母材的屈服极限要求同样也适合高强度螺栓的摩擦面抵抗的外力。如果桥梁的跨度中间部分没有进行分段处理, 那么施加给高强度螺栓承受的力度相对较小, 设计人员在进行高强度螺栓组设计时可以依据桥梁结构构架所受的轴向力。
4 结语
将桥梁结构高强度螺栓组连接应用到在桥建设过程中, 能够增强桥梁连接结构的强度, 达到更好的整体效果, 不但能够保证桥梁建设的质量还能够延长桥梁的使用年限, 方便广大人民群众的生产和生活。桥梁工程建设是我国基础设施建设的重要组成部分, 关系到广大人民群众的切身利益。近期, 我国桥梁安全事故频繁发生, 在社会上引起了强烈的反响, 因而桥梁设计和施工受到全社会各界的广泛关注。为了增强桥梁的刚度和荷载能力, 必须做好桥梁钢结构高强度螺栓组连接设计工作。
摘要：近年来, 随着我国国民经济的不断增长和国家综合国力的不断增强, 广大人民群众对于基础设施建设的要求也不断提高, 为了满足人民群众的要求, 国家不断加大对基础设施建设的力度。桥梁工程建设是基础设施建设的重要组成部分, 必须充分保证其质量和运行的稳定性。桥梁钢结构高强度螺栓组连接设计的效果对整个桥梁工程的质量有非常重要的影响, 因此必须得到充分重视。
关键词：桥梁钢结构,高强度螺栓组,连接设计
参考文献
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[3]王群.高强度螺栓连接应用范围的探讨[J].武警学院报, 2009 (12) .
谈关于高强度螺栓 篇2
1 高强度大六角头螺栓扭矩系数的确定
在扭矩法施拧中影响高强度大六角头螺栓拧紧预拉力的主要因素是高强度螺栓连接副的扭矩系数和施拧扭矩, 为此在施拧前必须测定高强度大六角头螺栓连接副的扭矩系数, 确认其是否符合要求, 并以此扭矩系数平均值来确定终拧扭矩和检查扭矩。根据公式理解, 其扭矩系数应是一定值或扭矩与轴力成正比关系, 但高强度螺栓在实际检测过程中, 在《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》GB/T1231 2006规定的预拉力范围内, 高强度螺栓扭矩系数并不是一定值, 在该范围内, 预拉力与扭矩也不成正比关系, 而且没有规律, 随预拉力的增加扭矩系数时大时小。针对高强螺栓在应用过程中一些注意事项以及影响高强螺栓扭矩系数的因素及影响程度, 本着科学的态度, 我们对同批、同规格的螺栓, 在不同的试验室、不同的环境、不同预拉力进行了扭矩系数比较。
《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》GB/T1231-2006;《公路桥涵旅工技术规范》JTJO4卜2000:《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》JGJ82 9 1;《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001;规定高强度大六角头螺栓在施工前应按出厂批号复验扭矩系数, 每批号抽验不少于8套, 其平均值和标准偏差应符合设计要求, 设计无要求时平均值应在0.11~0.15范围内, 其校准偏差应小于或等于0.01, 复验数据作为施拧的主要参数。大六角头螺栓的施工扭矩可由下式计算确定:
式中:TC一终拧扭矩 (N.m) ;
K一扭矩系数平均值;
Pc一施工预拉力 (kN) ;
d一螺栓螺杆直径 (mm) ;
2 高强度螺栓设计轴力的确定
对抗滑型高强度螺栓接头, 在板面抗滑移系数确定的情况下。螺栓轴力越大, 抗滑力就越大, 传递荷载能力就越强。然而螺栓有一定的强度。若轴力超过其所能承受的破坏荷载, 就会断裂。只有在可靠度理论分析基础, 确定的螺栓有效拧紧轴力才是经济合理的。
2.1 高强度螺栓 (简称螺栓) 强度
根据工厂复验和实地试验及出厂质量保证书的螺栓拉断强度资料, 统计分析了螺栓破断强度F。结果10.9级螺栓的材料屈服强度取为0.9倍的抗拉强度。螺栓在拧紧的过程中, 螺栓力与拉应力复合成主应力.一般采用轴向应力乘以复台应力系数η表示。
螺栓材料所允许的轴向拉力NF=0.9F·η, 根据随机变量F和η分布, 通过蒙特卡罗法随机模拟得到NF的分布。随机变量NF即为螺栓轴力的上限值.在可靠度分析中作为抗力项。
2.2 螺栓设计有效轴力的确定
螺栓设计轴力的确定, 主要是保证螺栓拧紧过程中。在复合应力影响下不至于使主应力超过屈服点为前提.尽量选择大的轴力, 以充分发挥螺栓连接作用以NF=0.9F/η, 作为抗力项再考虑超拧10n后作为效应项N=X·NH, 求算螺栓拧紧过程中螺拴强度的可靠度, 以此来确定螺栓的设计有效轴。
3 高强螺栓连接施拧技术管理审经常遇到几个问题:
3.1 高强螺栓副施拧中螺栓欠拧和超拧
在GB1228-1231-84标准中当高强螺栓连接终拧后其予拉力小于 (标准) 规定最小值时为欠拧, 当予拉力大于表审最大者为超拧。如10.9S级高强螺栓规格为M22者当螺栓予拉力小于18t为欠拧, 而大于22t为超拧。
3.2 10.9s级保扭矩系数高强螺栓初拧和终拧后能否标下重复使用
一般不允许重复使用由于螺纹磨擦和变形扭矩系数K发生变化, 轴力也变化一般不允许重复使用。
3.3 高强螺栓如何向厂家定货
虚按设计图纸所需规格数量定货, 应注明高强螺栓强度等级 (8.8级或10.9S级) , 高强螵栓副材质及引用标准。如定货10.9s级高强螺栓副为保扭矩系数高强螺栓须在定货表中注明。
3.4 如订货时购买10.9S级高强螺栓用户方未提出保扭矩系数要求而工地复验高强, 螺栓副扭矩系数标准偏差超差过大对厂方有何责任
由于定货高强螺栓是不保扭矩系数, 因此无法向广方追查责任。
3.5 不保扭矩系数高强螺栓厂方应负责任
工地对高强螺栓复验螺栓楔负载, 螺母保载, 垫圈和螺母硬度检验应符合国标要求。螺栓副几何尺寸应满足有关标准要求。
3.6 对10.9s级保扭矩系数高强螺栓厂方出厂时已给出扭矩系数K和扭矩系数标准偏差σn-1值为什么工地还要进行复验K和σn-1值
由于高强螺栓出厂到工地后经过长途运输搬运保管汽油条件变化而对和σn-1, 值影响较大, 故在工地施拧高强螺栓前必须对夏和σn-1值复验。
3.7 几种高强螺栓连接施拧的方法以及所适用的条件
高强螺栓连接施拧有扭矩控制法和转角法。当工地复验高强螺栓系数标准偏差在允许范围之内可用扭矩探制法施拧高强螺栓方法简便易掌握。但当复验高强螺栓扭矩系数离散过大用扭矩探制法施拧则螺栓予拉力过于分散也易造成欠拧或超拧在这种情况下用扭角法L或称转角法) 施拧较为合适。扭角法采用二次线性回归方程式计算转角。但一般不易掌握。铜街子工程钢梁高强螺栓施拧是用螺栓探制法施拧。
摘要：高强度螺栓在钢结构铁路中已广泛应用, 取代了部分铆钉。目前我国在公路桥梁施工中虽然也使用不少, 但仍然存在着很多问题没有引起足够的重视, 规范中的规定从理解程度上仍存在着一些问题, 不能指导现场施工中的应用, 如扭矩系数、电动扳手的使用、安装的顺序、仪器的标定、终拧后的检查等, 现对在施工遇到的一些问题作简要分析论述。
关键词：高强度螺栓,扭矩系数,轴力确定,常见问题
参考文献
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柴油机连杆螺栓强度校核分析 篇3
1 连杆螺栓模型
1.1 连杆螺栓模型的建立
本文采取了在ANSYS中进行直接建模,避免模型转换过程中出现的问题。图1是连杆螺栓的规格图,为了对问题进行简化,省略了螺栓的螺纹,建立连杆螺栓的模型如图2所示。
1.2 连杆螺栓材料的确定
柴油机连杆螺栓,其工况比较恶劣,受到比较大的拉压拉伸应力。从而将螺栓的材料定为各向同性的线弹性材料42Cr,2.11×105MPa的弹性模量,0.277的泊松比,785MPa的屈服强度,980MPa的强度极限,密度为7870kg/m3。并假设材料的弹性模量和泊松比不随温度的变化而发生变化。
1.3 网格划分
在定义完连杆螺栓的基本条件过后,就要进行对所建立的实体模型的网格划分,这样做就能够生成在有限元分析的时候所必需的网格。本文中将网格的尺寸设置为0.0012,划分网格后的模型如图3所示。网格情况结果如表1。
2 连杆螺栓的强度校核
在螺栓的应力分析中选择Von Mises等效应力作为分析对象,把70650N设计预紧力平均加载到短销凸台8319个节点上时,工况应力云图和应变云图如图4、5所示。
由螺栓的应力云图可知,在对螺栓加载了预紧力载荷时候,其最大的应力基本集中在了螺栓的头部和杆部的转接部位,大小为935Mpa,主体的应力约为314MPa。
由螺栓的应变云图可知,最大的应变处于应力集中的位置,也就是基本处于螺头和螺柱连接的转角处,约为0.004。
连杆螺栓材料选择为40cr合金钢,其拉伸极限应力为980Mpa,因此在外力作用下,螺栓的静强度满足要求,但整体的受力不均匀,局部的应力很高,特别是在螺柱和螺头连接处的转角处。出现这种情况的主要原因是在设置边界条件的时候,将螺头的面设置为全约束而在螺柱上加载预紧力。这样的情况和现实中的实际情况类似,所以在实际工程当中,应该多注意连杆螺栓在应力最集中的地方,在维护检查的时候,也要对这些地方加大检查的力度。
通过有限元的计算,也可以得到连杆螺栓各个点的位移情况,将这些所有的点集合起来,就可以了解到螺栓整体在预紧力作用下的变形情况。在给定的载荷和约束的条件下,最大位移发生螺柱的一端,最大的位移大概为0.33×10-4mm。
3 结论
3.1 连杆螺栓的材料选择了40Cr合金钢。
该合金钢的表面硬度较高,并且耐磨,,结合本文对其的校核计算,该材料完全能够满足柴油机连杆螺栓强度和刚度的需要。
3.2 在螺头和螺柱的连接过渡部分出现了应力集中的现象,一旦所选螺栓材料刚度不足,断裂位置一定会出现在螺头和螺柱连接的过渡部分。
3.3 本文在有限元静力学分析当中,采用了直接加载法进行预紧力的加载,大大的减少了计算的难度和计算量,有助于减少时间并节约了计算的资源,同时也使得结果变得更加的准确。
3.4 本文只通过静力分析对柴油机连杆螺栓的强度进行分析,可以在本文校核的基础上继续对之后的工作载荷进行模拟,同时可以继续进行相应的疲劳强度分析。
参考文献
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[2]李竞.注塑机模板的有限元分析及改进设计[J].广州大学学报,2001.
一种高强度螺栓断裂失效分析 篇4
关键词：螺栓,断裂,摩擦系数,预紧力
1 引言
螺栓在机器各部件的联接中应用广泛, 起着举足轻重的作用。螺栓在使用中如果发生断裂, 会给生产、设备及安全造成极大的危害。某公司风电设备中使用的10.9级高强度螺栓在半年内发生了多次断裂现象。断裂大多发生在设备装配旋拧过程中及设备试运行重拧过程中。
2 失效原因分析
2.1 金相检测与分析
根据对现场环境和工作过程的观察分析, 首先对断裂螺栓屈服强度、抗拉强度及冲击吸收功等力学性能进行试验, 结果表明其各项性能指标均合格。
对断裂螺栓取样进行化学成分检查分析, 经检测其C、S、Mn、Si、P、Cr等成分含量均达到相关国家标准的要求。
对断裂螺栓进行金相检查发现:螺栓外圆无明显脱碳现象, 螺栓回火表面为索氏体, 支撑面横向检验断裂面有多处存在非金属夹杂物, 夹杂物等级为2级, 周围无脱碳现象。
分析认为:螺栓材料内部有夹杂物导致成形时产生夹杂物滑移, 经热处理后内部产生裂纹, 最终受力产生裂纹以致断裂。另外, 追求过高的强度和硬度也极大地提高了螺栓内部裂纹的敏感性, 也会造成螺栓脆性断裂。
2.2 预紧应力分析
螺纹联接在装配时, 一般都要拧紧螺纹, 以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。使联接螺纹在承受工作载荷之前就预先作用的力称为预紧力。如果预紧力过小, 则会使联接不可靠;如果预紧力过大, 又会导致联接过载甚至联接件被拉断的后果。
预紧力的控制方法有多种。对于一般的普通螺栓联接, 预紧力凭装配经验控制;对于较重要的普通螺栓联接, 可用测力矩扳手或者定力矩扳手来控制预紧力大小;对于预紧力控制有精确要求的螺栓联接, 可采用测量螺栓伸长的变形量来控制预紧力大小;而对于高强度螺栓联接, 可以采用测量螺母转角的方法来控制预紧力大小。
根据设计手册要求要严格控制螺栓的预紧力。在本例中, 螺栓的拧紧力矩是按一定的扭矩系数计算得到的。而扭矩系数与螺纹副和螺纹头处的摩擦系数有关, 这两个摩擦系数又与两处的表面处理及采用的润滑剂有关。不同润滑剂的摩擦系数是不同的, 因此计算出的扭矩系数也就不同。本例设备中的联接螺栓拧紧力矩是按热镀锌螺栓涂固体润滑剂组合计算出来的。而该公司近年来一直采用达克罗螺栓涂轴承润滑脂的组合。两者的摩擦性能不同, 计算出的扭矩系数也不一致。
控制螺栓的预紧应力约为螺栓材料屈服极限的70%。即σpre=0.7σs。拧紧力矩的计算公式为:Tpre=k F0d, 其中k为扭矩系数, F0为螺栓预紧力, d为螺栓外径。
因为扭矩系数k与螺纹副和螺纹头处两处的表面处理及采用的润滑剂有关。如果依据某种润滑剂设计计算出拧紧螺栓所应施加的拧紧力矩, 而在实际现场安装中又采用了其它牌号的润滑剂, 根据计算公式, 由于采用新的润滑剂使得扭矩系数k减小, 而没有重新核算拧紧力矩, 在螺栓直径不变的情况下, 螺栓预紧力将增大, 预紧应力将有可能超过螺栓材料屈服极限的70%, 最终导致拧紧时螺栓损坏。
3 结论与建议
(1) 该型高强度螺栓断裂的主要原因是拧紧力矩过大, 致使螺栓预紧力过大, 进而导致预紧应力超过螺栓材料的屈服极限造成的。
(2) 应根据现场螺栓表面处理特性及润滑剂牌号重新计算各螺栓的拧紧力矩。同时现场操作时严格控制好施加的预紧力, 规范操作方法, 定期标定扭矩扳手以减少误差值, 确保扭矩扳手的准确性和稳定性。
(3) 加强螺栓材料的热处理综合力学性能, 追求高强度和高硬度的同时, 要保证螺栓具有相应的塑性和断裂韧性。螺栓是机械零件中常用的紧固件, 要求中等硬度并且有一定的韧性。热处理后螺栓不需要加工, 因此螺纹不得有脱碳现象, 这样才能起到紧固作用, 也不容易断裂。
参考文献
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[2]杨建伟, 等.机械设备联接螺栓的失效分析[J].机械强度, 2008, 30 (4) :683-686.
螺栓组强度 篇5
1 高强度螺栓力学特性理论分析
塔式起重机的高强度螺栓在工作中要求其具有可靠的连接强度和良好的旋合性。[4,5,6]图1(a)表示螺栓的初始状态,图1(b)表示预紧力作用下的连接体系。设螺栓和连接套的弹性系数分别为是在预紧力作用下的螺栓和连接套变形。无载荷作用时,螺栓预拉力F1与连接套预压力F2相等,即预紧力F1=F2=k1∆1=k2∆2。
由图1(c)可知,外载荷为拉力时,螺栓被拉长,连接套压缩量减少,螺栓伸长值与连接套压缩减少值相等,并用∆表示;外载荷为压力时,螺栓伸长量减少,连接套压缩量增加,螺栓伸长量的减少值与连接套压缩量增加值是相等的,同样用∆表示。F1、F2表示在外载荷F作用时,螺栓所受的拉力和连接套结合面处所受的压力有:
根据静力平衡条件有:
图1(d)可以表示上述计算,纵坐标表示螺栓联接体系的作用力,横坐标表示螺栓联接体系的变形量。AD表示高强度螺栓弹性曲线。BC表示连接套弹性曲线。高强度螺栓在A点处的预紧力等于零;而B点处预拉力F1与连接套预压力F2相等;由于拉力F的作用,螺栓被拉伸∆到达D点,螺栓拉力为1F';对应的,连接套压缩量减少了∆到达E点,连接套所受压力为2F'。此图也可以描述载荷分配情况。令1k=tan∠BAC,k2=tan∠BCA,则有:
2 高强度螺栓力学特性有限元分析
2.1 高强度螺栓有限元单元
在Autodesk Inventor中建立高强度螺栓的几何模型,并将模型导入ANSYS中,选用实体单元solid45。采用单元prets179模拟螺栓预紧状态。利用接触单元Target170和Contact173模拟螺栓与连接套之间的接触,连接套与连接套之间的接触以及主弦杆与主弦杆之间的接触。
2.2 高强度螺栓的材料模型和边界条件
材料的弹性模量为,泊松比为,材料密度是。分析中,定义网格大小为5 mm,划分网格后施加适当的力学和位移边界条件。高强度螺栓有限元模型如图2所示,其有限元加载模型如图3所示。
2.3 高强度螺栓有限元结果分析
已知螺栓大小为,取螺栓屈服强度的75%计算预紧力,由螺栓截面积知。施加预紧力后,计算得出的应力与理论应力之间存在小偏差,计算的应力比理论应力大,分析受载后的螺栓应力云图可知螺栓和连接套的应力趋势可以判断螺栓的安全性,最大应力值为600 MPa,塔身采用高强度螺栓,屈服强度为,由计算得到的安全系数为,比载荷组合B所需安全系数1.34大。因此,保证了联接的可靠性。
3 结论
高强度螺栓在塔式起重机联接中虽是一个不起眼的部件,但是它起着重要的作用,当它发生破坏导致失效时,会导致整个塔式起重机机构无法正常工作。本文对塔式起重机高强度螺栓进行力学特性的分析,同时对预紧力与外载荷下的螺栓组进行应力分析,得出力学拉伸性能是高强度螺栓设计和使用的关键。本文的研究对塔式起重机的高强度螺栓日后更为深入的研究提供了理论基础。
参考文献
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[5]胡宗武,阎以诵.起重机动力学[M].北京:机械工业出版社,1988.
螺栓组强度 篇6
在螺纹联接中,对于单个标准螺纹紧固件的选型设计以及规则布置且受力(矩)对称的螺栓组设计,其选型和计算都有明确的规则,设计方法较为成熟。但由于结构限制,对于某些场合所选用的非标准螺纹紧固件的设计、或者对于受力复杂且非对称分布的螺栓组中螺栓的设计,缺乏有效的计算规则。实际应用中,由于设计不合理导致连接失效而造成重大损失的事故屡有报道。有限元技术的发展,使复杂结构的应力计算成为可能,其分析结果真实可靠,成为工程分析的重要手段之一。
在螺栓联接方面,傅骏等人对螺栓的不同材质进行研究分析,归正等人对高强度螺栓使用中的长度进行了研究,赵曼等人研究了如何提高螺栓抗拉疲劳性能,李波等人对螺纹三维模型的有限元分析进行了探索[1,2,3,4]。这些研究为探索螺栓联接提供了很好的思路,但传统的设计方法需要大量的实验作为依据,并且很多规律都是概括性的总结,对于螺栓螺纹牙各部位应力、螺栓内部应力等情况分析较少。有限元技术的发展为定量分析螺纹内部应力提供了条件。在通常的有限元分析中,一般采用的方法是将螺栓简化为轴对称,建立二维有限元模型进行分析,即使是建立三维模型也是忽略了螺纹的细节部分,在一些特殊的分析情况下,这样会大大降低分析的精度[4]。本文基于ANSYS workbench模块,结合传统设计方法,通过三维有限元分析方法研究了螺栓结构、旋合长度以及预紧力对螺栓强度的影响,并应用于工程实例分析中,可对以后类似的设计、安装提供一定参考。
1 分析对象及方法
1.1 分析对象建模及参数
本文将某型号自动扶梯驱动机座所采用的非标准螺栓作为分析对象,经现场考察,该螺栓头采用盲孔攻丝结构的非标准设计,与螺杆形成可拆式联结,如图1。螺纹采用8.8级M20标准粗牙螺纹,其T形头几何尺寸为:23mm×64mm×15mm,盲孔底部为平面结构,悬合深度为12mm。
对非标结构螺栓头部分(图2(a))的静强度加以分析,作为对比,给出了国标T形头螺栓(图2(b))和另一种改进型螺栓(图2(c))。一般而言,螺栓联接的分析重点主要集中在螺纹联接处,悬合部位螺杆相对于螺母更薄弱,因此必须充分保证分析中螺纹接触处的真实准确性。为此,通过在Pro/E中进行精确的三维建模,保证模型符合实际情况。三种螺栓的螺纹均为M20标准粗牙螺纹,除了螺栓T形头的结构,其他结构参数均相同。第一种为分体结构螺栓头,采用盲孔攻丝设计,与螺杆形成可拆式联结;第二种为国家标准T形头螺栓(GB/T37);第三种是整体锻造型结构,螺栓头与螺杆采用一体式设计。其中第一、三种的建模数据均取自实物测绘,第二种三维模型的数据取自设计手册[5]。
1.2 有限元模型及参数设置
设定三种螺栓的工作环境相同:螺栓拧紧在两块板上,其中下板厚度14.5mm,下底板为24mm,其中两块板都开有一个宽度为22mm的长方型槽,如图3所示)。按照上述参数在Pro/E中完成各模型并装配后以“*.IGS”格式导入到AN-SYS workbench模块[6]。
有限元分析设置如下:(1)材料属性设置:这里三种螺栓的弹性模量、泊松比、密度等都采用45号钢的参数,底板采用16Mn的参数;(2)网格划分:尽量对比较规则的零件采用了六面体网格划分,对于螺纹、螺杆、螺母等则采用四面体网格;(3)边界条件:约束下底板的四个侧面,载荷为螺栓预紧力。通过使用模块自带的Bolt Pretension(预紧力)模块可直接施加预紧力,从而直观反映螺栓联接的应力状况。
2 有限元分析及结果
2.1 螺栓结构对联接强度的影响
螺栓联接是通过预紧而产生接触面的摩擦力来承受各种工作载荷(如轴向载荷、横向载荷和倾覆力矩等),螺栓本身主要承受轴向载荷。对于非标准结构的螺栓,应研究其结构设计的合理性,考察不同结构对其承载能力的影响。应用前述有限元模型,对三种结构螺栓联结组件施加相同的预紧力,大小为32 589N(计算得出的螺栓组最小预紧力)。在设置完以上各步骤后进行后处理求解,可以得到三种不同结构螺栓的应力云图,如图4。
根据研究重点,主要考察T型头处的结构强度。由应力云图分析得出:(1)第一种结构的螺栓螺杆与T型头连接的第一圈螺纹处应力较为集中,最大应力值为449.16MPa,发生在螺栓与T形头联接的第一圈螺纹牙根上,螺纹处极易发生压溃或疲劳损坏,易造成螺栓失效或断裂;(2)第二种结构的螺栓T形头设计有圆角,最大应力发生在螺杆与T形头的过渡圆弧处,为346.72MPa,此处应力过渡比较均匀,相比第一种结构强度有所提高;(3)第三种螺栓T形头为直角过渡,最大应力发生在直角过渡处,为345.46MPa,此处应力分布较为均匀,结构设计也是较为合理的。
2.2 旋合深度的影响
根据公式l=(2.24∼6.7)Pdm0.2in(dmin为螺纹公称直径所对应的最小公称直径,P为螺距[7]),M20螺纹联接的中等旋合长度应为17.5mm。而本例中分体式螺栓T形头悬入深度仅约12mm,旋合圈数为4∼5圈,如图5(a)所示,没有达到一般的旋合圈数。为此,建立一个旋合圈数为6∼7圈的T形头模型,旋合长度约为17.5mm,其他尺寸和结构完全相同,如图5(b)所示。
采用1.2节方法,在预紧力32 589N下对图5两种不同悬合长度螺栓进行有限元计算,选取螺纹接触区域螺栓杆的螺纹牙根部螺旋线进行应力分析,原始T形头的最大应力为449MPa,加厚后T形头的最大应力为341MPa,均出现在从螺栓联接支撑面开始的第一圈螺纹接触面处,如图6所示。提取两种不同旋合长度的螺纹牙根部应力分布曲线,发现在每一圈上应力发生周期性波动,沿悬入方向,应力逐渐降低,如图7所示。经分析,在各圈上的应力波动是因为T形头与连接板接触和支撑面的不对称导致其复杂形变所致(参见图3(b)和图4(a)),在T头长度方向上变形大,螺纹牙根的应力大,宽度方向上T头变形小,其应力小。各圈应力峰值符合轴向力双曲余弦函数的分布规律[7]。
上述两个算例的对比说明,对于本案例结构的螺栓和材料,当悬入深度小于中等悬合深度时,悬入方向第1圈螺纹牙根等效应力增加幅度较大,可能会造成螺纹压溃的危险;其他各圈螺纹应力也相应增加,但不会造成直接威胁。
2.3 预紧力对分体式螺栓强度的影响
螺纹联接的预紧力将对螺栓的总裁荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷之的能力和接合面密封能力等产生影响[8]。过大或过小的预紧力均是有害的,所以预紧力的大小、准确度都十分重要,预紧力不当会对联接紧固件带来很多严重后果。因此,在螺栓(组)传统设计中,预紧力和工作载荷是影响螺栓强度的重要因素。
应用图3模型,采用不同拉伸力载荷模拟预紧力,分别为对螺栓模拟了预紧力为、、、、50k N、55k N时的螺栓联接组件应力分布。在45k N拉力下螺杆最大应力区域位于第一圈螺纹牙根位置,最大应力值达到620MPa(图8(a))。在第一圈旋合螺杆小径横截面上(图8(b)),中心位置应力值为81.576MPa,沿半径向外辐射方向,应力值逐渐增加,在螺栓头长度方向,最大应力分别为290MPa、248MPa;而螺栓头宽度方向,增大幅度较小,分别为140MPa和93MPa。横截面上的这种应力分布规律与相关文献是一致的[7]。
在30k N、35k N、40k N、50k N和55k N拉力下应力分布趋势与上述45k N类似,但最大应力值随着拉力的增大而呈线性变化,如图9。
2.4 失效过程
综合以上结果,对于该螺栓联接,螺杆在第一圈螺纹悬合处是薄弱环节。当轴向外力逐渐增大时,螺栓杆不是从第一圈接触处的小径拉断,而是第一圈的螺纹牙首先发生破坏。这是因为接触处最大应力极易发生在螺纹牙根部,使之根部断裂,导致此处的螺纹牙崩溃,最终可能使螺栓杆从T头中拉拔出来,如图10。
3 试验验证
对分体T形头螺栓和更换后的改进型螺栓进行了抗拉强度破坏性测试表明,分体式T形头螺栓的螺栓杆与螺栓头的联接部位抗拉强度测试不合格,在拉力47.64k N时,螺栓杆从T形头中因螺纹压溃拔出;改进后的螺栓解决了该问题,最终的破坏形式是在螺栓杆的中间断裂,破坏时的拉力达到210.4k N,远超过前者。
通常,螺栓失效的因素有螺栓的材质、螺栓的几何结构、预紧力合理施加等。针对本次螺栓的失效,从结构方面和安装方面进行相应的有限元模拟分析表明三个可能的导致失效原因如下:(1)分体式结构的强度低于国家标准的同型号螺栓;(2)分体式的螺纹联接旋合长度未达到理论标准;(3)安装过程中没有有效的控制预紧力。以上所述也说明本文对于螺栓联接的三维有限元分析方法是比较准确的。
4 结论
本文建立了合理的有限元模型,其结果与传统螺栓联接设计知识相吻合,以量化的方式论证了不合理的螺栓的分体式结构设计、螺纹联接旋合长度不够以及安装过程中预紧力控制不当造成了螺纹压溃拔出螺栓头,是导致螺栓联接失效的主要原因。本文论证了采用有限元软件进行三维螺纹联接件的静强度分析,其计算结果是可靠的,特别是在非标准螺纹件的设计上,具有一定的实用价值。
参考文献
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[2]归正.高强度螺栓长度的确定[A].中国机械工程学会2003年年会论文集[C].2003:159-161.
[3]赵曼,任艺.提高螺栓抗拉疲劳性能的措施[J].水利电力机械,2006(8):32-35.
[4]李波.螺栓螺纹三维接触有限元分析[J].计算机应用技术,2010(5):31-33.
[5]洪钟德.简明机械设计手册[M].上海:同济大学出版社,2007.
[6]浦广益.ANSYS Workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.
[7]卜炎.螺纹联接设计与计算[M].北京:高等教育出版社,1995.
螺栓组强度 篇7
1 基于三维数值的特征曲线法分析
1.1 确定特征长度方法
三维数值特征曲线法想要提升测试的准确性, 就应该严格确认特征长度, 因为特征长度的不同会给测试结果带来不同的影响, 甚至影响准确性, 公式 (1) 表明了在螺栓上作用任意挤压负荷的公式。
其中:P1i为接头上施加任意压缩载荷, P1, i则为所承受的挤压载荷, d孔的直径和ti代表该层单向板的厚度代表。
(第i层) 平均拉伸应力的计算定义式如公式 (2) 所示:
P2i, w, d和ti分别为接头拉伸载荷时第i层单向板载荷, 孔直径和该层单向板的厚度及宽度。
复合材料的模型建立的基础就是对于层合板的每层模型建立, 通过各层具体拉伸的长度来计算各层层合板的应力分布及拉伸特征强度这种方式能够避免通过破坏性试验来进行测试。
1.2 考虑螺栓拧紧力矩的特征曲线法
因为螺栓拧紧力矩的影响, 所以在基于单向层确定的各层特征长度上, 如果接头破坏相对延迟, 那么垫圈尺寸也就是挤压破坏区会随着拧紧力矩的增大而破坏区域会增大, 失效负荷也会变大, 达到一定的值, 当这个情况达到最大程度时, 此时再继续扩大拧紧力矩, 失效载荷和破坏区域也不会在发生变化, 但是复合材料的连接强度就会变低, 从这点来说, 破坏区域的大小和垫圈大小及拧紧力矩的关系很密切, 由此改进的特征曲线公式为:
在上面公式中第i层表示的是拉伸特征长度使用Roti表示, 第i层压缩特征长度可以使用Roci代替, 这个范围-π/2≤θ≤π/2是θ的界限, d为孔直径。D为垫圈外径 (一般D=2d) , S为螺母内接圆直径 (一般取S=d) 。
2 算例
2.1 模型建立
三维特征曲线法经过改进后, 开始对一个具体的复合材料接头进行分析计算, 具体尺寸表1如下所示, T300/1034-C的测试侧料的单向板性能为:E1=147GPa, E2=E2=1138GPa, 泊松比:V12=V13=V23=0.3, 面内剪切模量:G12=G13=6.185GPa, G23=5.78GPa, 纵向拉伸强度:Xt=1.7 29 GP a, 纵向压缩强度Xc=1.3 7 8 G P a, 横向拉伸强度:Yt=Zt=00665GPa, 横向压缩强度:Yc=Zc=0.268GPa面内剪切强度:S12=S13=0.1338GPa, S23=00899GPa;层合板采用对称铺层, 螺栓采用30GrMnSiA材料, 弹性模量:E3=200GPa, 泊松比:V=0.3。
采用ANSYS大型有限元软件对这种三维有限元模型进行分析, 因为这个模型是堆成的, 所以可以使用接头的一半来进行研究, 如图1所示, 就是接头有限元模型示意图。
本文所使用的算例中三种试件的螺栓直径分别为6mm, 8mm, 10mm, 每个螺栓分别施加6N·m, 12N·m, 18N·m的拧紧力矩然后在不同拧紧力矩下来对螺栓接头受力进行分析比较, 得出结果。
2.2 特征长度计算方法分析
在对这个测试元件进行分析之后, 发现当使用18N·m螺栓拧紧力矩时, 先对试件1进行应力计算, 将这个元模型固定好然后再施加不同的挤压载荷, 分别为10kN和8kN, 因为这元模型一端已经固定好, 同时对于另一端在施加不同的拉伸载荷, 分为为10kN和15kN, 然后结合螺孔周围的单元应力值, 在使用Matlab计算机辅助计算软件进行插值计算, 通过对试件1的计算, 最终发现其特征长度为1.28mm, 拉伸特征长度为5.74mm。
2.3 失效载荷计算和结果分析
根据所得到的拉伸和压缩特征长度再确定各个试件的特征曲线。然后对接头进行应力分析, 并且使用最新的特征曲线分析法进行相应的计算结果分析, 得出18N·m的拧紧力矩是试件1, 而12N·m的拧紧力矩则是试件2, 试件3在6N·m的拧紧力矩时失效载荷最大。经过计算, 当试件强度最大各试件失效载荷最大时所受拧紧力矩引起的侧压值均为60MPa左右。这说明连接件只有在合适的拧紧力矩下强度才能达到最大, 拧紧力矩过大或过小都会对强度造成影响。由此可见使用特征曲线法计算的特征强度要比实验数据更为精确。
3 结论
通过上面的分析, 可以得出两个结论其一是改进了基于单向层的三维特征曲线法, 提升了特征曲线法的精确度, 目前将最大误差已经控制在了4%一下;其二就是简化了运算模式, 通过建立简单的三维元模型, 在基本数值特征曲线法的基础上来有效的模拟螺栓拧紧力矩的影响, 这种方法被证实简单, 有效, 能够满足大型工程建设的需求。
参考文献