機(jī)械設(shè)計(jì)單個螺栓強(qiáng)度計(jì)算

1、單個螺栓的強(qiáng)度計(jì)算單個螺栓的強(qiáng)度計(jì)算知識回顧知識回顧: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)用場合三種聯(lián)接應(yīng)用場合?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日日臺灣華航客機(jī)臺灣華航客機(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

2、?？鸵寻踩与x。 負(fù)責(zé)前襟翼擺動的金屬螺帽，在降落時，因負(fù)責(zé)前襟翼擺動的金屬螺帽，在降落時，因?yàn)榧ち艺饎用撀洌瑢⒑蠓降挠抑饕砣剂喜鄞蚱屏藶榧ち艺饎用撀?，將后方的右主翼燃料槽打破了一個一個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數(shù)個數(shù)、直徑直徑、長度長度、分分布布、精度等級精度等級? 今天介紹今天介紹單個螺栓單個螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。的強(qiáng)度計(jì)算。單個螺栓的強(qiáng)度計(jì)算單個螺栓的強(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等強(qiáng)度設(shè)計(jì)螺栓螺紋牙和螺母螺紋牙與螺栓桿等強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明 螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算：

3、螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算： 確定螺紋精度等級、確定螺紋精度等級、小徑小徑d1 按照按照GB選定：選定： 螺紋公稱直徑螺紋公稱直徑d及螺距及螺距P分析思路分析思路 一、載荷分類一、載荷分類 軸向載荷：軸向載荷： 過螺栓過螺栓軸心線軸心線 橫向載荷：橫向載荷： 與螺栓軸心線垂直與螺栓軸心線垂直普通螺栓聯(lián)接普通螺栓聯(lián)接軸向載荷軸向載荷橫橫向向載載荷荷二、失效形式二、失效形式 靜載荷作用靜載荷作用: 螺紋牙塑性變形、螺栓被拉斷、扭斷、縫隙螺紋牙塑性變形、螺栓被拉斷、扭斷、縫隙 相對移動、剪斷、壓潰等相對移動、剪斷、壓潰等?動載荷作用動載荷作用: 疲勞破壞，疲勞破壞，90%螺栓聯(lián)接發(fā)生疲勞破壞螺栓聯(lián)接發(fā)生疲勞

4、破壞三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：受拉（普通）螺栓：受拉（普通）螺栓： 保證螺栓的靜力保證螺栓的靜力( (或疲勞或疲勞) )拉伸強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度受剪（受剪（鉸制孔鉸制孔）螺栓）螺栓 保證聯(lián)接的擠壓強(qiáng)度和螺栓的剪切強(qiáng)度保證聯(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，只受工作載荷松螺栓聯(lián)接：不受預(yù)緊力，只受工作載荷FaFa螺螺栓栓聯(lián)聯(lián)接接倫敦千年穹頂倫敦千年穹頂 螺栓材料及許用應(yīng)力，螺栓材料及許用應(yīng)力， （表（表5.8）F 工作拉力工作拉力1.受載荷類型受載荷類型軸向拉伸（工作拉力軸向拉伸（工作拉力F）2.失效形式失效形式螺栓

5、拉斷（靜、疲勞）螺栓拉斷（靜、疲勞）3.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則保證螺栓拉伸強(qiáng)度保證螺栓拉伸強(qiáng)度4.強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： 5.危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算：危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算：421dF驗(yàn)算式：驗(yàn)算式：41Fd 設(shè)計(jì)式：設(shè)計(jì)式：6.設(shè)計(jì)計(jì)算方法設(shè)計(jì)計(jì)算方法 根據(jù)根據(jù)d1查手冊，求公稱直徑查手冊，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）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（一）只受預(yù)緊力作用的螺栓聯(lián)接1.受受載荷載荷形式形式軸向拉伸（預(yù)緊力軸向拉伸（預(yù)緊力F0） 扭轉(zhuǎn)（摩擦力矩扭轉(zhuǎn)（摩擦力矩T1）2.失效形式失效形式螺栓拉斷、扭斷螺栓拉斷、扭斷3.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)

6、則第四強(qiáng)度理論第四強(qiáng)度理論4.強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： ca ?4210dF拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力162)tan(3120ddFv扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力5 . 0近似處理近似處理（ M 10M64螺栓）螺栓）預(yù)緊力預(yù)緊力F0作用作用5.危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算：危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算：摩擦力矩摩擦力矩T1作用作用43 . 1210dFca強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件3 . 1)5 . 0( 332222ca應(yīng)力合成應(yīng)力合成43 . 101Fd設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式由此可見，對于由此可見，對于M10M64M10M64普通螺紋的鋼制螺栓，普通螺紋的鋼制螺栓，在擰緊時同時承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計(jì)在擰緊時同時承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但

7、在計(jì)算時可以只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算，并將所受的拉力（預(yù)算時可以只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算，并將所受的拉力（預(yù)緊力）增大緊力）增大30%30%來考慮扭轉(zhuǎn)的影響來考慮扭轉(zhuǎn)的影響1.受載荷類型受載荷類型橫向載荷（橫向載荷（F） 預(yù)緊力（預(yù)緊力（F0） 摩擦力矩（摩擦力矩（T1）2.失效形式失效形式螺栓拉斷、扭斷、滑移螺栓拉斷、扭斷、滑移3.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第四強(qiáng)度理論第四強(qiáng)度理論4.強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： ca （二）受橫向載荷作用的普通螺栓聯(lián)接（二）受橫向載荷作用的普通螺栓聯(lián)接預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力0Fm可能移動的趨勢可能移動的趨勢Fks不發(fā)生滑移的條件不發(fā)生滑移的條件skFFm0即：即：mkFFs0

8、 m m結(jié)合面數(shù)結(jié)合面數(shù)，ks s（1.11.11.31.3）防滑系數(shù)防滑系數(shù)，摩擦系摩擦系數(shù)數(shù)，F(xiàn) F預(yù)緊力預(yù)緊力， 橫向載荷橫向載荷將代入公式43 . 1210dFcaF0FF13043 . 101Fd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）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：F是是F的的13倍，倍，F(xiàn)0大，螺栓直徑大，結(jié)構(gòu)尺寸大，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)接采用減載裝置，或者受剪螺栓聯(lián)接mkFFs0鍵、套筒、銷鍵、套筒、銷FF/2F/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（三）受橫

9、向載荷作用的鉸制孔螺栓聯(lián)接1.受載荷類型受載荷類型橫向載荷（橫向載荷（F） 2.失效形式失效形式剪斷、壓潰剪斷、壓潰3.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則剪切、擠壓剪切、擠壓4.強(qiáng)度條件：強(qiáng)度條件： pp 420dmF剪切強(qiáng)度條件：ppdFmin0擠壓強(qiáng)度條件：(四四)受軸向載荷的螺栓連接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)FFFFF0F0T1FF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：特別注意，軸向載荷：F2 F0+F加預(yù)緊力后加預(yù)緊力后螺栓受拉伸長螺栓受拉伸長b被聯(lián)接件受壓縮短被聯(lián)接件受壓縮短m加載加載 F 后后:螺栓總伸長量增加為螺栓總伸長量增加為: 總拉力為：總拉力

10、為：被聯(lián)接件壓縮量減少為：被聯(lián)接件壓縮量減少為： 殘余預(yù)緊力減少為：殘余預(yù)緊力減少為： F1 很顯然很顯然: F1F0b + b(=)m - - m (=)預(yù)緊預(yù)緊狀態(tài)狀態(tài)bF0F0mF0F0F F設(shè)計(jì)：潘存云FFF1F1 F2F2F2=F+F1b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F2F1FF0F0mF0bmbmtan b=Cb螺栓剛度螺栓剛度tan m=Cm被連接件剛度被連接件剛度mmCFF10FCCCFFbmm10FCCCFFbmm01FCCCFFmbb02mbbbbCFFFCFF0102得：總拉力等于預(yù)緊力加部分工作載荷之和mbbCCC02,FFCCbmFF

11、FCCbm02,相對剛度系數(shù)，書頁43 . 1212dF螺栓拉伸強(qiáng)度條件：3 . 1421Fd設(shè)計(jì)公式：FCCCFFmbb02（五）軸向（五）軸向變載荷變載荷作用螺栓聯(lián)接作用螺栓聯(lián)接 對于受軸向變載荷作用的重要螺栓聯(lián)接，除對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，還需要對螺栓的了按上述方法作靜強(qiáng)度校核外，還需要對螺栓的疲勞強(qiáng)度作精確校核疲勞強(qiáng)度作精確校核 工作拉力在工作拉力在 0 F 間變化，螺栓總拉力在間變化，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：險(xiǎn)截面的最大拉應(yīng)力為：212max4dF210min4dF最小拉應(yīng)力為：最小拉應(yīng)力為：應(yīng)力幅為應(yīng)力幅為：ambbadFCCC21minmax22SKKSatcca)2)()(2minmin1安全系數(shù)應(yīng)滿足安全系數(shù)應(yīng)滿足：k-1tc 螺栓材料對稱循環(huán)拉壓疲勞極限（表54） 試件材料常數(shù)， 碳鋼.1-0.2，合金鋼.2-0.3K 拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)忽略加工方法影響kK有效應(yīng)力集中系數(shù)，附表SKKSatcca)2)()(2minmin1a應(yīng)力幅min最小應(yīng)力值S安全系數(shù)，表尺寸系數(shù)，表受載荷類型受載荷類型失效形式失效形式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件確定設(shè)計(jì)確定設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)普通普通螺栓