单个螺栓强度计算分析

1、2021/2/71 2021/2/72 机机 械械 设设 计计 2021/2/73 单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算 福州大学机械工程及自动化学院福州大学机械工程及自动化学院 姚立纲姚立纲 2021/2/74 知识回顾知识回顾: 螺纹螺纹的类型的类型 三角形、管螺纹、梯形、锯齿形、矩形三角形、管螺纹、梯形、锯齿形、矩形 几种常用螺纹几种常用螺纹? 2021/2/75 螺纹联接螺纹联接的类型的类型 螺栓联接（螺栓联接（2种）种）双头螺柱联接双头螺柱联接 螺钉联接螺钉联接 区别区别?三种联接应用场合三种联接应用场合? 2021/2/76 螺栓联接的预紧与防松螺栓联接的预紧与防松 预紧的预紧的目

2、的、防松的根本问题、防松方法目的、防松的根本问题、防松方法 ? 0707年年0808月月2121日日 台湾华航客机台湾华航客机 的残骸散落在的残骸散落在 日本冲绳岛的日本冲绳岛的 柏油马路上柏油马路上, , 机上机上165165名乘名乘 客已安全逃离。客已安全逃离。 2021/2/77 负责前襟翼摆动的金属螺帽负责前襟翼摆动的金属螺帽, ,在降落时在降落时, ,因为因为 激烈震动脱落激烈震动脱落, ,将后方的右主翼燃料槽打破了一个将后方的右主翼燃料槽打破了一个 2-3cm2-3cm的洞。的洞。 2021/2/78 2021/2/79 问题问题: 如何确定螺栓的如何确定螺栓的个数个数、直径直径、

3、长度长度、分分 布布、精度等级精度等级? 今天介绍今天介绍单个螺栓单个螺栓的强度计算。的强度计算。 2021/2/710 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 2021/2/711 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 2021/2/712 2021/2/713 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 2021/2/714 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

4、对移动、剪断、压溃等 ? 2021/2/715 动载荷作用: 疲劳破坏,90%螺栓联接发生疲劳破坏 2021/2/716 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 2021/2/717 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 Fa Fa 螺 栓 联 接 2021/2/718 伦敦千年穹顶 2021/2/719 2021/2/720 2021/2/721 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）

5、3. 设计准则保证螺栓拉伸强度 4. 强度条件: 5. 危险截面应力计算: 4 2 1 d F 验算式： 4 1 F d 设计式： 6. 设计计算方法 根据d1查手册,求公称直径d 2021/2/722 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: ca ? 2021/2/723 4 2 1 0 d F 拉伸应力 16 2 )tan( 3 1 2 0 d d F v 扭转剪应力 5 . 0 近似处理 （ M 10M64螺栓）

6、 预紧力F0作用 5. 危险截面应力计算: 摩擦力矩T1作用 2021/2/724 4 3 . 1 2 1 0 d F ca 强度条件 3 . 1)5 . 0( 33 2222 ca 应力合成 4 3 . 1 0 1 F d 设计公式 由此可见,对于M10M64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。 2021/2/725 1. 受载荷类型: 横向载荷（F） 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: ca

7、（二）受横向载荷作用的普通螺栓联接 2021/2/726 预紧力产生的摩擦力 0 Fm 可能移动的趋势 Fks 不发生滑移的条件 s kFFm 0 即： m kF F s 0 m结合面数,ks（1.11.3）防滑系数,摩擦系 数,F预紧力, 横向载荷。 将代入公式 4 3 . 1 2 1 0 d F ca F0 2021/2/727 2021/2/728 FF13 0 4 3 . 1 0 1 F d 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, =0.1, ks=1.3 时: F是F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。 m kF F s

8、 0 2021/2/729 键、套筒、销键、套筒、销 F F/2 F/2 铰制孔螺栓铰制孔螺栓 2021/2/730 （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: pp 2021/2/731 （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 F F F F F0 F0 T1 2021/2/732 F F 设计：潘存云 松弛松弛 状态状态 受载受载 变形变形 特别注意,轴向载荷: F2 F0+F 加预紧力后螺栓受拉伸长b 被联接件受压缩短m 加载 F 后: 螺栓总伸长量增加为:

9、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: F1F0 b + b(=) m - m (=) 预紧预紧 状态状态 b F0F0 m F0F0 F F 设计：潘存云 F F F1F1 F2F2 F2=F+F1 2021/2/733 b 联接件变形联接件变形 力力 螺栓变形螺栓变形 力力 螺栓变形螺栓变形 力力 F2 F1 F F0F0 m F0 b m b m tan b=Cb 螺栓刚度 tan m=Cm 被连接件刚度 2021/2/734 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

10、 mb bb b C FFF C FF 0102 得: 总拉力等于预紧力加部分工作载荷之和 2021/2/735 mb b CC C 02 ,FFCC bm FFFCC bm 02 , 相对刚度系数,书页 4 3 . 1 2 1 2 d F 螺栓拉伸强度条件： 3 . 14 2 1 F d设计公式： F CC C FF mb b 02 2021/2/736 （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

11、大拉应力为: 2 1 2 max 4 d F 2021/2/737 2 1 0 min 4 d F 最小拉应力为: 应力幅为: a mb b a d F CC C 2 1 minmax 2 2 S K K S a tc ca )2)( )(2 min min1 安全系数应满足: 2021/2/738 k -1tc 螺栓材料对称循环拉压疲劳极限（表54） 试件材料常数, 碳钢.1-0.2,合金钢.2-0.3 K 拉压疲劳强度综合影响系数 忽略加工方法影响 k K 有效应力集中系数,附表 S K K S a tc ca )2)( )(2 min min1 2021/2/739 a应力幅 min最小应力值 S安全系数,表 尺寸系数,表 2021/2/740 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 4 2 1 d F 4 3 . 1 2 1 0 d F ca 4 3 . 1 2