单个螺栓强度计算分析

机械设计单个螺栓的强度计算福州大学机械工程及自动化学院姚立纲知识回顾:螺纹的类型三角形、管螺纹、梯形、锯齿形、矩形几种常用螺纹?螺纹联接的类型螺栓联接（2种）双头螺柱联接螺钉联接区别?三种联接应用场合?螺栓联接的预紧与防松预紧的目的、防松的根本问题、防松方法???07年08月21日台湾华航客机的残骸散落在日本冲绳岛的柏油马路上，机上165名乘客已安全逃离。负责前襟翼摆动的金属螺帽，在降落时，因为激烈震动脱落，将后方的右主翼燃料槽打破了一个2-3cm的洞。问题:如何确定螺栓的个数、直径、长度、分布、精度等级……?今天介绍单个螺栓的强度计算。。。。单个螺栓的强度计算螺栓、螺钉、双头螺柱的强度计算相同螺栓螺纹牙和螺母螺纹牙与螺栓杆等强度设计实验表明螺栓联接的强度计算：确定螺纹精度等级、小径d1按照GB选定：螺纹公称直径d及螺距P分析思路一、载荷分类轴向载荷：过螺栓轴心线横向载荷：与螺栓轴心线垂直普通螺栓联接轴向载荷横向载荷二、失效形式•静载荷作用:•螺纹牙塑性变形、螺栓被拉断、扭断、缝隙•相对移动、剪断、压溃等??动载荷作用:疲劳破坏，90%螺栓联接发生疲劳破坏三、设计准则：受拉（普通）螺栓：保证螺栓的静力(或疲劳)拉伸强度、扭转强度受剪（铰制孔）螺栓保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度四、松螺栓联接的强度计算松螺栓联接：不受预紧力，只受工作载荷FaFa螺栓联接伦敦千年穹顶[σ]螺栓材料及许用应力，（表5.8）F工作拉力1.受载荷类型——轴向拉伸（工作拉力F）2.失效形式——螺栓拉断（静、疲劳）3.设计准则——保证螺栓拉伸强度4.强度条件：σ≤[σ]5.危险截面应力计算：][421dF验算式：][41Fd设计式：6.设计计算方法根据d1查手册，求公称直径d五、紧螺栓联接（承受工作载荷之前已经被预紧）（一）只受预紧力作用的螺栓联接1.受载荷形式：轴向拉伸（预紧力F0）扭转（摩擦力矩T1）2.失效形式——螺栓拉断、扭断3.设计准则——第四强度理论4.强度条件：σca≤[σ]???4210dF拉伸应力162)tan(3120ddFv扭转剪应力5.0近似处理（M10~M64螺栓）预紧力F0作用5.危险截面应力计算：摩擦力矩T1作用][43.1210dFca强度条件3.1)5.0(332222ca应力合成][43.101Fd设计公式由此可见，对于M10~M64普通螺纹的钢制螺栓，在拧紧时同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时可以只按拉伸强度计算，并将所受的拉力（预紧力）增大30%来考虑扭转的影响。1.受载荷类型：横向载荷（FΣ）预紧力（F0）摩擦力矩（T1）2.失效形式：螺栓拉断、扭断、滑移3.设计准则：第四强度理论4.强度条件：σca≤[σ]（二）受横向载荷作用的普通螺栓联接预紧力产生的摩擦力0Fm可能移动的趋势Fks不发生滑移的条件skFFm0即：mkFFs0m结合面数，ks（1.1－1.3）防滑系数，μ摩擦系数，F０预紧力，ＦΣ横向载荷。将Ｆ０代入公式][43.1210dFcaF0FF130][43.101Fd或者可进行验算或者设计螺栓（保证不滑移的情况下）当m=1,μ=0.1,ks=1.3时：F０是FΣ的13倍，F0大，螺栓直径大，结构尺寸大，采用减载装置，或者受剪螺栓联接。mkFFs0键、套筒、销FF/2F/2铰制孔螺栓（三）受横向载荷作用的铰制孔螺栓联接1.受载荷类型：横向载荷（F）2.失效形式：剪断、压溃3.设计准则：剪切、挤压4.强度条件：σp≤[σ]pτ≤[τ]][420dmF剪切强度条件：ppdF][min0挤压强度条件：（四）受轴向载荷的螺栓连接既受预紧力又受工作载荷自然状态FFFFF0F0T1FF设计：潘存云松弛状态受载变形特别注意，轴向载荷：F2≠F0+F加预紧力后→螺栓受拉伸长λb→被联接件受压缩短λm加载F后:螺栓总伸长量增加为:总拉力为：被联接件压缩量减少为：残余预紧力减少为：F1很显然:F1F0λb+∆λb(=∆λ)λm-∆λm(=∆λ)预紧状态λbF0F0λmF0F0FF设计：潘存云FFF1F1∆λ∆λF2F2F2=F+F1λb∆λ联接件变形力螺栓变形力螺栓变形力F2F1FF0F0λmF0λbλmθbθmtanθb=Cb螺栓刚度tanθm=Cm被连接件刚度mmCFF10FCCCFFbmm10FCCCFFbmm01FCCCFFmbb02mbbbbCFFFCFF0102得：总拉力等于预紧力加部分工作载荷之和mbbCCC02,FFCCbmFFFCCbm02,相对刚度系数，书７４页][43.1212dF螺栓拉伸强度条件：][3.1421Fd设计公式：FCCCFFmbb02（五）轴向变载荷作用螺栓联接对于受轴向变载荷作用的重要螺栓联接，除了按上述方法作静强度校核外，还需要对螺栓的疲劳强度作精确校核。工作拉力在0~F间变化，螺栓总拉力在F0~F2间变化，忽略螺纹副间的摩擦力矩，螺栓危险截面的最大拉应力为：212max4dF210min4dF最小拉应力为：应力幅为：ambbadFCCC21minmax22SKKSatcca)2)(()(2minmin1安全系数应满足：kσ-1tc螺栓材料对称循环拉压疲劳极限（表5－4）Ψσ试件材料常数，碳钢０.1-0.2，合金钢０.2-0.3Kσ拉压疲劳强度综合影响系数忽略加工方法影响kK有效应力集中系数，附表３－６SKKSatcca)2)(()(2minmin1σa应力幅σmin最小应力值S安全系数，表５－１０尺寸系数，表３－７载荷类型强度条件静载荷松螺栓连接紧螺栓连接仅受预紧力横向载荷普通铰制孔轴向载荷变载荷][421dF][43.1210dFca][43.1212dFca][43.1210dFcamFSKF0FCCCFFFmbb012FambbadFCCC21minmax22][420dmFppdF][min0受载荷类型失效形式设计准则强度条件确定设计参数普通螺栓联接