07 螺栓组连接强度设计

§5-5螺栓组连接的设计一.螺栓组连接的结构设计:1.被连接件结合面形状应简单对称：便于加工，便于螺栓对称布置，使螺栓组的对称中心与结合面形心重合.2.螺栓的布置应使螺栓受力合理：受横向剪力的螺栓组受力方向不超过8个；受力矩作用时应适当远离对称轴；3.布置螺栓应留有合理的间距、边距，方便装配:扳手空间尺寸，查标准压力容器螺栓间距，P73表5-44.分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数;5.避免螺栓偏心承载，而产生附加弯曲载荷;6.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致。螺栓组连接设计计算的一般步骤：螺栓组受力分析找出受力最大的螺栓,及其力的大小；单个螺栓受力和失效分析单个螺栓强度计算；确定螺栓的尺寸（直径、长度）。二.螺栓组连接的受力分析：两种情况的工作原理不同！普通螺栓连接铰制孔用螺栓连接1.承受横向载荷作用的螺栓组连接为了简化计算，假设：1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；2）螺栓组的几何中心与连接结合面的形心重合；3）受载后连接结合面仍保持为平面。fziFKFFKzifFss00或受力平衡条件：单个螺栓受力3.11.15576～可靠性系数，取接合面数目；；表接合面间的摩擦系数，sKiPf螺栓组受力FdFddFca012103.144/3.1或1）普通螺栓组连接10T、F单个螺栓受力zFF螺栓组受力F剪切强度计算：4/20diF孔壁螺栓ppp,min挤压强度：ppLdFmin02）铰制孔用螺栓连接2.受旋转力矩的螺栓组连接：TKfrFfrFfrFsz02010不滑动条件：)(210zsrrrfTKF1）普通螺栓连接ir0fF0fFdFddFca012103.144/3.1或ziisrfTK1iriFmaxFmaxr2）铰制孔用螺栓连接zzrFrFrFT2211力矩平衡：22221maxmaxzrrrTrF受力最大螺栓：)(22221maxmaxzrrrrFT即：变形量越大，则所受工作剪力越大ziirTr12max剪切强度计算：4/20maxdiF挤压强度：ppLdFmin0maxmaxmaxrFrFiiiirrFFmaxmaxF03.受轴向载荷的螺栓组连接预紧力F0、T1；工作载荷F:zFF;002FCCCFFFFmbbdFddFca212123.144/3.1或001FCCCFFmbm对于有紧密性要求的连接，FF8.1~5.11单个螺栓的受力：4.受翻转力矩的螺栓组连接假定:1)底板为刚体；2)翻转力矩作用在螺栓组连接的形心；3)受载后绕O-O转动仍保持平面。失效分析：1.螺栓拉断；2.底板左侧出现间隙；3.底板右侧压溃。在M的作用下：左侧：螺栓拉力增大；右侧：螺栓拉力减小而地面压力增大zzLFLFLFM2211力矩平衡：ziizLLMLLLLMF12max22221maxmax力：受力最大螺栓的工作拉螺栓所受的工作拉力与距离成正比iLmaxL螺栓所受的工作拉力max02FCCCFFmbb：受力最大螺栓的总拉力maxFiFmaxmax2211LFLFLFLFzz变形条件：iiLLFFmaxmaxdFddFca212123.144/3.1或2FmF2受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图F0底板受力分析在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图校核接合面的强度计算：1B1C2F1FF2C2BmF1mF2mF2FmF20minppp左侧不出现间隙：pppp][max右侧不压溃：--许用挤压应力，P79表5-6AzFp0mbmpCCCWMWM00minWMAzFpppWMAzF][0maxw——接合面的有效抗弯截面系数小结：1.在实际工作中，螺栓所受的工作载荷往往是以上四中简单形式的不同组合，但不论受力多复杂，都可以将复杂状态简化成以上四中简单的受力状况，先分别求螺栓的工作载荷，然后向量迭加，就可求出螺栓所受的总工作载荷；横向荷载+轴向载荷+翻转力矩横向载荷+旋转力矩2.虽然前面讲了螺栓组的四种不同外载（横向载荷、旋转力矩、轴向载荷、翻转力矩），但对单个螺栓而言，受力只有两种：拉力、剪力（轴向载荷、横向载荷）；3.为了保证落栓连接的可靠性，还要考虑综合条件：不出现间隙、不压溃等。§5-7螺纹连接件的材料和许用应力一、螺纹连接件的常用材料：碳素钢：Q215、Q235、10、35、45等合金钢：15Cr、40Cr、30CrMnSi等特殊用途（防蚀、防磁、导电、耐高温）：特种钢（如不锈钢）、铜合金、铝合金等P86表5-8、9螺栓连接的性能等级：3.6~12.9铰制孔用螺栓受横向载荷受轴向载荷、横向载荷的普通螺栓连接许用应力连接的受载情况Ss被联接件为铸铁被联接件为钢PBpPspsSSS二、螺纹连接件的许用应力：安全系数S见P87表5-10---例题---例1：一钢制液压缸有关尺寸如图示，油压P=3N/mm2，为保证密封性要求，螺栓间距L不得大于4.5倍螺栓公称直径，试设计该双头螺柱连接（确定螺柱直径、个数及分布圆直径D0）。解：1、求螺柱总拉力显然，F不变，螺柱直径大则数目Z小；反之Z大则螺柱直径小。因此Z取值不同本题可有多解。考虑到油缸是压力容器，有紧密性要求，故Z应适当大些。另外，数目Z最好是偶数，而且要便于分度。综上：取Z=12NpDF60288412NZFF5024螺柱工作拉力为：FF8.11取螺柱总拉力为：NFFFF2.140678.21222107.121602.140672.5][3.14mmFd由强度条件得：用4.6级的Q235螺柱，拧紧时控制预紧力,取S=1.5，于是（P86表5-8、P87表5-10）asMPS1605.1240][2、求螺柱直径:查手册，取M16（其d1=13.835计算值12.07）。3、确定螺栓分布圆直径D0：mmdDD2005.20暂定而临界许用值为：mmd725.4因此，最终取分布圆直径。mmD2000于是螺栓间距为：注：根据题意，本题确定Z=12，d=16，D0=200mm后就算解毕，但对于有密封性要求的螺栓连接，一般应确定必须的预紧力。现确定如下：由结构示意图知，缸盖与缸体间无软垫片，螺栓相对刚度为：(P84第8行)25.0mbbCCCNFCCCFFmbb2.1281120于是预紧力为：NF130000最终取预紧力为：mmZDL33.52例2.图示支架用6个螺栓连接在砖墙上。已知砖墙为水泥砂浆缝，载荷Q=10KN，螺栓材料Q235，强度级别4.6级，支架底板与砖墙间摩擦系数f=0.3，底板材料为ZG270-500，，试设计该螺栓连接。1.0mbbCCCFFHFVFHFV分析：支架正常工作的条件是：①在轴向力FH和翻转力矩M作用下,上侧螺栓不被拉断；底板上侧与砖墙不能有间隙；底板下侧或砖墙不能被压溃。②在横向力FV作用下底板不下滑；为便于安装和制造，采用普通螺栓。解：根据力的分解和简化原理，载荷对螺栓组连接的作用可用轴向力FH、横向力FV及倾覆力矩M的联合作用来代替，其中：NFFV866030cosNFFH500030sinmmNFFMHV5156922200480FFHFVFHFV1、由FH引起的每个螺栓的工作拉力：2、由力矩M引起的受力最大螺栓的工作拉力：NzFFHa3.83365000NMLMLFii4.4297120051569226200612maxmax4、在FV作用下，底板不下滑：VsambmFKFCCCFffF)(66013、受力最大螺栓的总工作拉力为：NFFFa7.51304.42973.833maxNFCCCfFKFambmVs60423.8339.03.0686601.1605、下侧不被压溃、上侧不出现间隙：底板接触面积A=(500-300)×300=6×104mm2底板抗弯截面模量W=300×(5002-3002)/6=8×106mm3（对截面高度h大于宽度b的矩形截面梁，梁竖放时，其截面抗弯系数计算公式：；而梁平放时：）。行）第（11751.1PKs取2161bhW2261hbW5.1][2~5.1][6-579PpapMP取，，表查由下侧不被压溃条件得：PambmpWMFCCCFA)(60maxNFCCCAWMFambmp7.93036][0由上侧不出现间隙的条件可得：0)(60minWMFCCCFAambmp072006mabmCMAFFNWCC可知，满足工作要求的预紧力范围为:NFN930472000NF80000取7、根据螺栓不被拉断的强度条件确定螺栓直径d：6、受力最大螺栓的总拉力为：NFCCCFFmbb07.85137.51301.0800002螺栓的屈服极限，为确保安全，装配时应控制予紧力，取安全系数,于是：2240mmNs5.1S2160][mmNSSmmFd387.916007.85132.5][3.1421由强度条件有：查手册取M12即可（其d1=10.106计算值9.387）。注:如拧紧力不加控制，由着工人尽可能地拧紧，为避免螺栓拧断，应适当增大螺栓直径。计算表明，在这种情况下，至少应采用M12的螺栓。例3某承受轴向载荷的螺栓连接。已知单个螺栓所受轴向载荷F=500N，预紧力F0=500N，螺栓的刚度cb，arctancb=30°，被连接件的刚度cm，arctancm=45°。1）绘制此螺栓连接的力——变形图，并确定螺栓总拉力F2。2）若使arctancb=60°，其他不变，F2=？3）比较上述两种情况，判断哪种密闭性好？注：此题用图解法求解。1002003004005006007008009001000N变形60°30°45°45°FF2F1FF2F1F0§5-8提高螺栓连接强度的措施一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅：应力变化幅度过大是疲劳断裂的根本原因。)(~002FCCCFFFmbb的变化范围：FF2′F1′：bC)1F0和F保持不变减小螺栓刚度的方法a.柔性螺栓b.弹性元件FF2′F1′：mC)2增大被连接件刚度的方法a.金属垫片b.密封环同时采取三种措施：)3二、改善螺纹牙间的载荷分配变形不谐调是螺纹牙受力不均的根本原因（P90图5-32）。三、减少应力集中:对螺纹来讲，形状突变是产生应力集中的主要原因。四、减小附加应力:偏心拉伸对螺栓十分不利。五、采用合理的制造工艺方法：1）冷墩头部、滚压螺纹2）氮化、氰化、喷丸等处理。