第十六章 单个螺栓连接的强度计算

16-3单个螺栓连接的强度计算针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。一、失效形式和原因StrengthCalculationofaBoltedJoints根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓。对受拉螺栓，主要失效形式为螺纹部分的塑性变形或断裂；经常装拆时绘因磨损而发生滑扣，故其设计准则主要保证螺栓杆有足够的拉伸强度。对于受横向载荷的铰制孔螺栓，主要失效形式为螺杆被剪断，螺杆或孔壁被压溃，故其设计准则应保证螺栓杆和被联接件具有足够的剪切强度和挤压强度。受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度3、设计计算准则与思路16-3单个螺栓连接的强度计算一、失效形式和原因1、松螺栓连接：—装配时不拧紧，无预紧力F'螺栓所受拉力工作载荷F=危险截面的强度条件：FA2141dF][设计式：mm][41Fd计算危险截面面积时用螺纹小径d1根据计算所得的d1，查标准确定螺栓的公称直径dMPa7.1~2.1s2、受横向载荷作用的普通孔螺栓连接：装配时要拧紧，载荷作用前，螺栓已受预紧力F′但在拧紧螺母过程中，螺栓受F′和T1的联合作用应用第四强度理论把拉应力和扭剪应力合并成当量拉应力—靠摩擦力承受R此连接如何承受横向载荷的？螺栓杆受横向剪切和挤压吗？—只受拉力作用拉、扭联合作用下的强度问题单纯的拉伸强度问题F′F′F′F′FRμF'μF'T1TFRFA4/21dFT1引起的扭剪应力：131/16Tdv231'tan()2/16dFd05.σ对于M10～M68的螺纹取平均近似值：0.5F′引起的拉应力：v22112tan()/4dFdd因此：当量拉应力：22ca322)5.0(3强度条件：MPa][4/3.13.121cadF3.1上式中系数“1.3”的含义是什么？mm141.3[]Fd设计式：普通螺栓联接承受横向载荷时，螺栓可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响根据计算所得的d1，查标准确定螺栓的公称直径d预紧力：应使接合面摩擦力大于工作载荷FRm：接合面对数即：μF′FRKf≥fNRKFFfm则：f：接合面摩擦系数(表16-2)例：当m=1、f=0.15、Kf=1.2时:F′≥6FR故用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸很大FRF′F′F′F′FRμF'μF'mKf：可靠性系数，1.1~1.3应将总工作载荷FR均匀分配到每个螺栓上若连接有z个螺栓，且各螺栓受载均匀则摩擦力：mμF′FR/zKf≥NfmzRKF则单个螺栓所受到的横向工作载荷等于/RFz单个螺栓所需的预紧力][3.141Fd若各螺栓受载不均，则应找出受载最大的螺栓，对其进行强度计算用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？RR/2R/2改进措施：②采用无间隙的铰制孔螺栓①采用键、套筒、销承担横向工作载荷R而螺栓仅起连接作用3、受轴向载荷作用的普通孔螺栓连接：F′F′须根据静力平衡条件和变形协调条件求解F0、F″TF0F0FF″F″F′F′F螺栓所受的总拉力：F0=F′+F?×F″—剩余(或残余)预紧力δ2δ1△δ1△δ2T变形协调条件：静力平衡条件：F0=F″+Fδ1≠δ2FF″F0未拧紧F′F′F′F′F0F0FFF″F″△δ1=△δ2=△δ螺栓总拉力剩余预紧力轴向外载荷变形力力力变形δ1δ2δ1δ2△δF′F′F0FF″θ1θ2螺栓被连接件F′螺栓刚度:C1=F'/δ1被连接件刚度:C2=F'/δ221CFFCFFF11FCFF0FF22FCFFFFCCCFF)1(211FCCCF211FFF01F2FFCCCF2110FFF—Kc为螺栓相对刚度cFKF112cCKCC212CFFCC—为被联接件相对刚度212CCCFCCCFF)1(211当C2C1时，当C2C1时，Kc≈0此时，F0≈F'此时，F0≈F'+FKc≈1就提高螺栓的强度而言，Kc越小越好尽量降低螺栓刚度C1，提高被联接件刚度C2c[1,1]KKc的推荐值查表16-3（见下表）被联接件为钢时所用垫片类型Kc（C1/C1+C2）金属垫片（或无垫片）0.2~0.3皮革垫片0.7铜皮、石棉垫片0.8橡胶垫片0.9Kc与螺栓及被连接件的材料、结构尺寸和垫片有关！受轴向拉伸载荷作用的螺栓强度条件：021[]MPa/4Fd设计式：mm][3.1401Fd受轴向拉伸载荷作用的螺栓剩余预紧力应满足：1）一般连接F″=（0.2~0.6)F2）变载作用时F″=（0.6~1.0)F3）有紧密性要求时F″=（1.5~1.8)F螺母可能需补充拧紧，考虑扭剪应力的影响，故乘以系数1.3！212''CFFFCC？MPa][4/3.13.1210cadF如果F超过一定值，会出现F’’≤0的情况4、受横向载荷作用的铰制孔螺栓连接：R直接作用在螺栓上使螺栓杆受剪切和挤压此类螺栓预紧力小，计算时忽略强度条件：20[]MPa/4SFmdd0：螺栓杆受剪面直径,即为光杆直径铰制孔用螺栓d0＞dm：接合面对数pp0min[]MPaSFdhhmin：两方向相比，较小挤压高度设计时，按上述公式分别计算出d0，取大值[τ]、[σp]查表16-7若是螺栓组连接，处理方法同前提高螺栓的强度主要措施：◆降低螺栓刚度A）柔性螺栓B）弹性元件◆增大被联接件刚度A）金属垫片B）密封环◆减小应力集中◆避免附加弯曲应力强度计算归纳如下：][4/3.1210cadF松螺栓：][4/21dF所受拉力F等于工作载荷紧螺栓：普通螺栓连接—][4/3.121cadF承受横向载荷承受轴向载荷fKRFfmz铰制孔螺栓连接—20[]/4RFmdpp0min[]RFdhFFF0FCCCFF2110螺钉连接、双头螺柱连接的分析计算与普通螺栓连接相同还应保证一定的残余预紧力！螺栓连接的材料和许用应力1、螺纹紧固件的材料和强度级别：一般连接：碳素钢，如：Q235、10、45重要连接：合金钢，如：40Cr、15MnVB常用材料：性能等级如：4.8级σb＝4×100MPaσs＝4×8×10=320MPa强度极限：屈服极限：螺纹联接件按机械性能分等级即性能等级反映了螺栓的机械性能常用材料和精度等级参见表16-52、许用应力：许用拉应力由表16-6决定Ss][Ss][先由表16-5确定好螺栓的材料、性能等级，查出强度极限s表16-6—S与d有关控制预紧力时：S＝1.2～1.5不控制预紧力时，S查表16-6材料静载荷变载荷M6～M16M16～M30M30～60M6～M16M16～M30碳钢4～33～22～1.310～6.56.5合金钢5～44～2.52.57.5～55先估取d，设计后再比较d是否与原假定值相符许用剪切和挤压应力由表16-5和表16-7决定