單個(gè)螺栓強(qiáng)度計(jì)算

1、 機(jī)機(jī) 械械 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 單個(gè)螺栓的強(qiáng)度計(jì)算單個(gè)螺栓的強(qiáng)度計(jì)算 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 姚立綱姚立綱 知識(shí)回顧知識(shí)回顧: 螺紋螺紋的類型的類型 三角形、管螺紋、梯形、鋸齒形、矩形三角形、管螺紋、梯形、鋸齒形、矩形 幾種常用螺紋幾種常用螺紋? 螺紋聯(lián)接螺紋聯(lián)接的類型的類型 螺栓聯(lián)接（螺栓聯(lián)接（2種）種）雙頭螺柱聯(lián)接雙頭螺柱聯(lián)接 螺釘聯(lián)接螺釘聯(lián)接 區(qū)別區(qū)別?三種聯(lián)接應(yīng)用場(chǎng)合三種聯(lián)接應(yīng)用場(chǎng)合? 螺栓聯(lián)接的預(yù)緊與防松螺栓聯(lián)接的預(yù)緊與防松 預(yù)緊的預(yù)緊的目的、防松的根本問題、防松方法目的、防松的根本問題、防松方法 ? 0707年年0808月月2121日日 臺(tái)灣華航客機(jī)臺(tái)灣

2、華航客機(jī) 的殘骸散落在的殘骸散落在 日本沖繩島的日本沖繩島的 柏油馬路上，柏油馬路上， 機(jī)上機(jī)上165165名乘名乘 客已安全逃離?？鸵寻踩与x。 負(fù)責(zé)前襟翼擺動(dòng)的金屬螺帽，在降落時(shí)，因負(fù)責(zé)前襟翼擺動(dòng)的金屬螺帽，在降落時(shí)，因 為激烈震動(dòng)脫落，將后方的右主翼燃料槽打破了為激烈震動(dòng)脫落，將后方的右主翼燃料槽打破了 一個(gè)一個(gè)2-3cm2-3cm的洞。的洞。 問題問題: 如何確定螺栓的如何確定螺栓的個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)、直徑直徑、長度長度、分分 布布、精度等級(jí)精度等級(jí)? 今天介紹今天介紹單個(gè)螺栓單個(gè)螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。的強(qiáng)度計(jì)算。 單個(gè)螺栓的強(qiáng)度計(jì)算 螺栓、螺釘、雙頭螺柱的強(qiáng)度計(jì)算相同 螺栓螺紋牙和螺母螺紋牙與螺栓桿

3、等強(qiáng)度設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)表明 螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算： 確定螺紋精度等級(jí)、 小徑d1 按照GB選定： 螺紋公稱直徑d及螺距P 分析思路 一、載荷分類 軸向載荷： 過螺栓軸心線 橫向載荷： 與螺栓軸心線垂直 普通螺栓聯(lián)接 軸向載荷 橫 向 載 荷 二、失效形式 靜載荷作用: 螺紋牙塑性變形、螺栓被拉斷、扭斷、縫隙 相對(duì)移動(dòng)、剪斷、壓潰等 ? 動(dòng)載荷作用: 疲勞破壞，90%螺栓聯(lián)接發(fā)生疲勞破壞 三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 受拉（普通）螺栓： 保證螺栓的靜力(或疲勞)拉伸強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 受剪（鉸制孔）螺栓 保證聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度和螺栓的剪切強(qiáng)度 四、松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 松螺栓聯(lián)接：不受預(yù)緊力，只受工作載荷 Fa Fa 螺 栓

4、 聯(lián) 接 倫敦千年穹頂 螺栓材料及許用應(yīng)力， （表5.8） F 工作拉力 1. 受載荷類型軸向拉伸（工作拉力F） 2. 失效形式螺栓拉斷（靜、疲勞） 3. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則保證螺栓拉伸強(qiáng)度 4. 強(qiáng)度條件： 5. 危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算： 4 2 1 d F 驗(yàn)算式： 4 1 F d 設(shè)計(jì)式： 6. 設(shè)計(jì)計(jì)算方法 根據(jù)d1查手冊(cè)，求公稱直徑d 五、緊螺栓聯(lián)接（承受工作載荷之前已經(jīng)被預(yù)緊） （一）只受預(yù)緊力作用的螺栓聯(lián)接 1. 受載荷形式：軸向拉伸（預(yù)緊力F0） 扭轉(zhuǎn)（摩擦力矩T1） 2. 失效形式螺栓拉斷、扭斷 3. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第四強(qiáng)度理論 4. 強(qiáng)度條件： ca ? 4 2 1 0 d F 拉伸應(yīng)力 16

5、2 )tan( 3 1 2 0 d d F v 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 5 . 0 近似處理 （ M 10M64螺栓） 預(yù)緊力F0作用 5. 危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算： 摩擦力矩T1作用 4 3 . 1 2 1 0 d F ca 強(qiáng)度條件 3 . 1)5 . 0( 33 2222 ca 應(yīng)力合成 4 3 . 1 0 1 F d 設(shè)計(jì)公式 由此可見，對(duì)于M10M64普通螺紋的鋼制螺栓， 在擰緊時(shí)同時(shí)承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在 計(jì)算時(shí)可以只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算，并將所受的拉力 （預(yù)緊力）增大30%來考慮扭轉(zhuǎn)的影響。 1. 受載荷類型： 橫向載荷（F） 預(yù)緊力（F0） 摩擦力矩（T1） 2. 失效形式： 螺栓拉斷、扭斷、

6、滑移 3. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 第四強(qiáng)度理論 4. 強(qiáng)度條件： ca （二）受橫向載荷作用的普通螺栓聯(lián)接 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力 0 Fm 可能移動(dòng)的趨勢(shì) Fks 不發(fā)生滑移的條件 s kFFm 0 即： m kF F s 0 m結(jié)合面數(shù)，ks（1.11.3）防滑系數(shù)，摩擦 系數(shù)，F(xiàn)預(yù)緊力， 橫向載荷。 將代入公式 4 3 . 1 2 1 0 d F ca F0 FF13 0 4 3 . 1 0 1 F d 或者 可進(jìn)行驗(yàn)算或者設(shè)計(jì)螺栓（保證不滑移的情況下） 當(dāng)m=1, =0.1, ks=1.3 時(shí)： F是F的13倍，F(xiàn)0大，螺栓直徑大，結(jié)構(gòu)尺寸大， 采用減載裝置，或者受剪螺栓聯(lián)接。 m kF F s 0

7、 鍵、套筒、銷鍵、套筒、銷 F F/2 F/2 鉸制孔螺栓鉸制孔螺栓 （三）受橫向載荷作用的鉸制孔螺栓聯(lián)接 1. 受載荷類型： 橫向載荷（F） 2. 失效形式： 剪斷、壓潰 3. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 剪切、擠壓 4. 強(qiáng)度條件： pp 4 2 0 dm F 剪切強(qiáng)度條件： pp d F min0 擠壓強(qiáng)度條件： （四）受軸向載荷的螺栓連接 既受預(yù)緊力又受工作載荷 自然狀態(tài) F F F F F0 F0 T1 F F 設(shè)計(jì)：潘存云 松弛松弛 狀態(tài)狀態(tài) 受載受載 變形變形 特別注意，軸向載荷： F2 F0+F 加預(yù)緊力后螺栓受拉伸長b 被聯(lián)接件受壓縮短m 加載 F 后: 螺栓總伸長量增加為: 總拉力為： 被

8、聯(lián)接件壓縮量減少為： 殘余預(yù)緊力減少為： F1 很顯然: F1F0 b + b(=) m - m (=) 預(yù)緊預(yù)緊 狀態(tài)狀態(tài) b F0F0 m F0F0 F F 設(shè)計(jì)：潘存云 F F F1F1 F2F2 F2=F+F1 b 聯(lián)接件變形聯(lián)接件變形 力力 螺栓變形螺栓變形 力力 螺栓變形螺栓變形 力力 F2 F1 F F0F0 m F0 b m b m tan b=Cb 螺栓剛度 tan m=Cm 被連接件剛度 m m C FF 10 F CC C FF bm m 10 F CC C FF bm m 01 F CC C FF mb b 02 mb bb b C FFF C FF 0102 得： 總

9、拉力等于預(yù)緊力加部分工作載荷之和 mb b CC C 02 ,FFCC bm FFFCC bm 02 , 相對(duì)剛度系數(shù)，書頁 4 3 . 1 2 1 2 d F 螺栓拉伸強(qiáng)度條件： 3 . 14 2 1 F d設(shè)計(jì)公式： F CC C FF mb b 02 （五）軸向變載荷作用螺栓聯(lián)接 對(duì)于受軸向變載荷作用的重要螺栓聯(lián)接，除 了按上述方法作靜強(qiáng)度校核外，還需要對(duì)螺栓的 疲勞強(qiáng)度作精確校核。 工作拉力在 0 F 間變化，螺栓總拉力在 F0 F2 間變化，忽略螺紋副間的摩擦力矩，螺栓 危險(xiǎn)截面的最大拉應(yīng)力為： 2 1 2 max 4 d F 2 1 0 min 4 d F 最小拉應(yīng)力為： 應(yīng)力幅為

10、： a mb b a d F CC C 2 1 minmax 2 2 S K K S a tc ca )2)( )(2 min min1 安全系數(shù)應(yīng)滿足： k -1tc 螺栓材料對(duì)稱循環(huán)拉壓疲勞極限（表54） 試件材料常數(shù)， 碳鋼.1-0.2，合金鋼.2-0.3 K 拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù) 忽略加工方法影響 k K 有效應(yīng)力集中系數(shù)，附表 S K K S a tc ca )2)( )(2 min min1 a應(yīng)力幅 min最小應(yīng)力值 S安全系數(shù)，表 尺寸系數(shù)，表 載荷類型強(qiáng)度條件 靜 載 荷 松螺栓連接 緊 螺 栓 連 接 僅受預(yù)緊力 橫向載荷 普通 鉸制孔 軸向載荷 變載荷 4 2 1 d F 4 3 . 1 2 1 0 d F ca 4 3 . 1