受翻转力矩作用的螺栓组连接实验技术总结报告书.

1、受翻转力矩作用的螺栓组连接实验技术总结报告书 团队名称： 团队成员： 指导老师： 2014年6月14日摘要 螺栓连接是设备安装中最普遍的一种连接方式，螺栓连接是否符合设计要求，对整个设备的运行可靠性和安全性有很大的影响。本论文主要研究验证螺栓组连接受力分析理论，测定受翻转力矩的螺栓组连接中螺栓的受力分析，确定翻转轴线位置。为了保证螺栓连接的可靠性，除了螺栓螺母本身的质量要求外，装配时螺栓预紧力的控制也起到关键性的作用。给螺栓连接施加合适的预紧力可以增强连接的刚性、紧密性、防松能力，避免螺栓在受横向载荷时的窜动。预紧力偏低在连接中不能起到紧固的作用，若预紧力太大则会使螺栓产生塑性变形而失去弹性,

2、一样失去紧固的作用。本论文另外一个内容是确定螺栓预紧的最佳顺序，利用实验研究找出最佳预紧顺序。利用有限元分析软件 建立了螺栓连接的有限元模型，采用了预紧力单元法，分析了不同载荷条件下螺栓结构的轴向变形图和轴向应力图，并将有限元分析结果与理论分析进行对比，以验证螺栓组连接受力情况，为分析复杂结构中螺栓连接结构的简化提供了理论依据。关键词: 螺栓连接 预紧力 有限元分析目录1. 绪论1 1.1 背景意义1 1.2 现状分析12. 主要工作内容4 2.1 理论分析4 2.1.1 求系统自重g04 2.1.2 螺栓的应力应变公式7 2.1.3 不失效的条件8 2.2 编程计算9 2.3 有限元分析11

3、 2.3.1 导入创建几何体11 2.3.2 添加材料信息12 2.3.3 设置接触关系12 2.3.4 划分网格13 2.3.5 施加载荷与约束14 2.3.6 求解15 2.4 实验过程15 2.4.1 实验目的15 2.4.2实验方法及步骤15 2.4.3 主要技术参数16 2.4.4 实验设备及工具16 2.4.5 实验数据及分析163. 实验台的不足之处及改进措施234. 成果245. 心得体会24致谢25参考文献25附录261.绪论1.1背景意义 螺栓连接是将两个以上的钢结构零部件或构件用螺栓连接成为一体的连接方法，是构件安装和结构安装中最简便的连接方式。 螺栓连接是否符合设计要求

4、，对整个设备的运行可靠性和安全性有很大的影响。为了保证螺栓连接的可靠性，除了螺栓螺母本身的质量要求外，装配时螺栓预紧力的控制也起到关键性的作用。给螺栓连接施加合适的预紧力可以增强连接的刚性、紧密性、防松能力,避免螺栓在受横向载荷时的窜动。预紧力偏低在连接中不能起到紧固的作用,若预紧力太大则会使螺栓产生塑性变形而失去弹性，同样失去紧固的作用。所以，在装配时准确地控制螺栓的预紧力显得尤为重要。 螺栓组中众多螺栓的加载顺序不完全以一样，这可能对螺栓的预紧力产生影响，继而在后面加载的过程中也会产生影响，加载顺序对螺栓失效也会产生影响。本次实验对螺栓预紧顺序进行研究，确定其对预紧力是否有影响。 1.2现

5、状分析目前，实验室有三种实验台：（1） 立式螺栓组实验台图1 立式螺栓组实验台（2） 卧式螺栓组连接实验台图2 卧式螺栓组连接实验台（3） 小型内置式螺栓组实验台 图3 小型内置式螺栓组实验台实验所用的是多功能螺栓组连接实验台，其结构简图如下：图4 螺栓组实验台结构简图1-托架 2-机架 3-螺栓 4-电阻应变片 5-第一杠杆 6-第二杠杆 7-砝码 被连接件机座和托架1被双排共12个螺栓3连接，连接面间加入垫片，砝码7的重力通过双级杠杆加载系统增力作用到托架1上，托架受到翻转力矩的作用，螺栓组连接受横向载荷和翻转力矩联合作用，各个螺栓所受轴向力不同，它们的轴向变形也就不同。在各个螺栓上贴有电

6、阻应变片，可在螺栓中段测试部位的任一侧贴一片，或在对称的两侧各贴一片，如图5所示，各个螺栓的受力可通过贴在其上的电阻应变片的变形，用电阻应变仪测得。图5 螺栓安装及贴片图 螺栓预紧在很大程度上可提高螺栓连接的初始刚度和载荷承载力，对于结构设计者来说，充分了解预紧力对螺栓连接的载荷承受能力非常重要。螺栓预紧力的引入，可以明显提高节点的抗滑移能力，降低极限螺栓弯曲角。螺栓预紧力分析：由图6可知: 图6 螺栓预紧力分析2. 主要工作内容2.1理论分析通过对实验台进行测绘，并结合参考书以及请教实验老师，我们对实验台中的12根螺栓进行了理论分析和编程计算，具体内容如下：2.1.1求系统自重g01）绿色杠

7、杆：图7 绿色杠杆 考虑到杠杆式均质的，忽略圆孔，只要测量质量即可，测得绿色杠杆质量为。杠杆长674mm。重心位置：2）红色杠杆：图8 红色杠杆 考虑到杠杆式均质的，忽略圆孔，只要测量质量即可。借一测力计，经调零，后测得红色杠杆质量。杠杆长680mm。 重心位置：3）托架：图9 托架钢的密度：托架梯形凸台体积：梯形凸台质量：与凸台连接的长方形体积：长方体质量：凸台中心在x方向上的位置，则：，长方体的重心：设整体重心在x方向上的位置，则：，即， 4）秤砣：5kg 5）秤托：4.5kg 6）绿色杠杆自重给红色杠杆的力为q，则（g=9.8m/）：红色杠杆自重和q 给凸台的力为w，则：若不考虑对螺栓剪

8、切力的影响：若只考虑翻转力矩，则托架自重产生的影响等效到q的分量上时， （经力矩平衡计算，杠杆比为1：95）2.1.2螺栓的应力应变公式 砝码力g及系统自重折算到砝码上的力。经杠杆系统的放大，等效为作用在托架的力: 螺栓组连接受到的翻转力矩m(l=350mm): 根据托架静力平衡和变形协调条件，假设在翻转力矩m的作用下，结合面仍保持平面，并且托架底板绕中线o-o翻转。此时，o-o上面的螺栓在m的作用下进一步受拉，螺栓拉力增大；o-o下面的螺栓则被放松，螺栓受的拉力减小，根据托架静力平衡条件得：式中为各螺栓所受的工作载荷，为各螺栓中心到o-o轴线的距离。根据变形协调条件： 联立上面四式得螺栓上的

9、工作载荷： 螺栓总拉力不仅与预紧力,工作拉力有关，而且与螺栓刚度和被连接件刚度相关。本实验螺栓的相对刚度系数取o-o线以上的螺栓总拉力： o-o线以下的螺栓总拉力： 1） 螺栓应力及应变： 应力： 在预紧力作用下，螺栓的应力，螺栓粘贴应变片的直径d=12mm，则 螺栓在受到工作载荷后总的应力 应变： 由胡克定律求螺栓应变，刚的弹性模量 则螺栓在预紧力作用下的微应变： 螺栓受到工作载荷的总的微应变： 2.1.3不失效的条件1）托架接触面不分离条件： 为了保证结合面不分离，结合面上端受压最小处必须保留一定的残余挤压应力，螺栓预紧时，结合面的挤压应力为：在翻转力矩m作用下，结合面上下两端的应力为：上

10、端残余挤压应力： 即 为可靠性系数，取为1.1则2）托架接触面不压碎的条件： ， 3）螺栓不变形的条件: 其中 为螺栓的屈服强度得出螺栓所能承受的最大预紧力为： 2.2 编程计算 为了计算方便，减少不必要的重复工作和降低人工运算的失误，以提高工作的效率和准确性，我们还根据计算出的公式进行了编程，通过程序计算出螺栓工作载荷的范围以及螺栓在不同工作载荷下的应力应变。程序界面如下图10所示，应力应变如下图11所示：图10 程序界面程序使用方法： 在程序中，设自重g0、砝码的重量g、预紧应变e三个变量，程序刚开始运行时，输入砝码的重量g，自重g0，此时，程序会自动计算出当前负载下的系统不失效的预紧应变

11、的范围，并显示出最小预紧应变和最大预紧应变，然后根据提示输入某一预紧应变e（当前工作环境下的自重g0、预紧应变e、砝码的重量g都已确定，其余螺栓的应变只与他们到翻转轴线之间的距离有关），此时程序会显示1到12号螺栓的应变变化值。若加载砝码时，需重新运行程序，设定砝码的重量g。图11 螺栓受载后应变差图由上图表可知： 当负载不变时，考虑自重与不考虑自重相比（线1和线2），相当于增加负载； 考虑自重，随着负载增大，其应变曲线以与纵轴交点为圆心，逆时针旋转，纵轴右侧螺栓应变逐渐增大，左侧螺栓应变逐渐减小，与右侧相反； 我们发现自重可以等同于工作载荷的增加，并且对整个实验台的使用并没有太大影响（只对整

12、个实验台的可以承受的最大载荷和最小载荷有影响，但是远远小于螺栓的预紧力），所以我们在后面的计算中并不分考虑与不考虑自重两种情况进行研究。2.3有限元分析 利用ansys workbench 15.0的结构线性静力分析模块，计算该试验台关键部位（螺杆）上的应力分布和应变，并与实验结果，理论计算进行比较。2.3.1导入创建几何体 在pro/e5.0中建立装配体后，利用pro/e与ansys的接口，将建立好的三维模型导入ansys，从而完成在ansys的进一步计算图12 导入几何体界面2.3.2添加材料信息 在engineering data进行了材料参数设置，螺杆，螺母材料为45钢（密度7850k

13、g/m3,弹性模量210gpa,泊松比0.269），底座及其他材料为灰铸铁（弹性模量130gpa，密度7210kg/m3，泊松比0.3，）图13 添加材料信息界面2.3.3设置接触关系 设置接触关系是对三维模型进行有限元分析的一个重要步骤，直接影响到螺杆受力情况，一般，ansys中有以下几种接触关系：接触关系名称约束bond固结完全绑定，无摩擦也无滑动，不分离no separation不分离在小范围内允许无摩擦的滑动frictionless无摩擦部件之间摩擦系数为0，允许法向分离rough粗糙与无摩擦类似，部件间不允许接触滑动frictional有摩擦的部件之间会因为摩擦系数而产生剪切力表1

14、ansys中接触关系考虑到实际需要，和工作台的关系，并便于简化计算，我们对各个部件之间产用了以下接触关系：connect bodiestarget bodiesconnecttion螺栓螺母bond螺栓底座no separation螺栓托架no separation螺母底座bond螺母托架bond托架垫片frictionless垫片底座bond杠杆部件杠杆部件no separation表2 本实验用到的接触关系图14 一螺栓与底座的接触关系设置界面2.3.4划分网格 为了便于计算，需要对不同部件划分不同大小的网格，对于螺杆等关键部件，划分网格较小，对于底座等较大且对于运行结果影响不大的部件，其

15、网格划分较大。具体划分效果如下：图15 划分网格后的界面2.3.5施加载荷与约束对于实验台有三种约束：1. 螺栓预紧力：2. 由砝码产生的外加载荷3. 对于底座的约束。 基于此，我们对于底座采用了fixed对其进行约束，通过bolt pretesion对于每根螺杆施加14000n的预紧力，最后，分别施加50n,100n,150n,200n的载荷。分别进行应力和应变的计算。图16 施加载荷与约束界面2.3.6求解由于需要对应力和应变进行分析，我们分别计算了solution中的stressequivalent（von-mise）以计算equivalent stress和strainequivale

16、nt（von-mise）以计算equivalent strain，进行计算。图17 求解后应力图2.4实验过程2.4.1实验目的a.深化课程学习中对螺栓组连接受力分析的认识；b.初步掌握电阻应变仪的工作原理和使用方法；c.研究螺栓预紧顺序；d.验证实验台的可用性；2.4.2实验方法及步骤1） 实验方法：螺栓初预紧方法抬起杠杆加载系统，不使加载系统的自重加到螺栓组连接件上。先将图2中所示的左端各螺母用手（不用扳手）尽力拧紧，然后再把右端的各螺母也用手尽力拧紧(如果在实验前螺栓已经受力，则应将其拧松后再做初预紧) 。应变测量点预调平衡方法以各螺栓初预紧后的状态为初始状态，先将杠杆加载系统安装好，使

17、加载杆的重力通过杠杆放大，加到托架上；然后再进行各螺栓应变测量的“调零”（预调平衡），即把应变仪上各测量点的应变量都调到“零”读数。螺栓预紧方法实现预调平衡之后，再用扳手拧各螺栓右端螺母i来加预紧力。在预紧过程中，为防止各螺栓预紧变形的相互影响，各螺栓应先后交叉并重复预紧（可按1、12、6、7、8、5、2、11、10、3、4、9依次进行），使各螺栓均预紧到相同的设定应变量（即应变仪显示值为e=600me，上下浮动不超过10me）。为此，要反复调整预紧3-4次或更多。在预紧过程中，用应变仪来监测。螺栓预紧后，加载杠杆一般会呈左端上翘状态。加载方法完成螺栓预紧后，在杠杆加载系统上依次增加砝码，实现

18、逐步加载。加载后，记录各螺栓的应变值。注意：加载后，任一螺栓的总应变值（预紧应变+工作应变）不应超过允许的最大应变值，以免螺栓超载损坏。2） 实验步骤：检查各螺栓处于卸载状态；打开应变仪；在不加载的情况下，先用手拧紧螺栓组左端各螺母，再用手拧紧右端螺母，实现“螺栓初预紧”。先将加载杆安装好，再把应变仪上各个测量点的应变量都调到“零”，实现“预调平衡”；用扳手交叉并重复拧紧螺栓组右端各螺母，使各螺栓均预紧到相同的设定预应变量（应变仪显示值为e=600me左右 ），实现“螺栓预紧”；依次增加砝码，实现逐步“加载”，记录各螺栓的应变值，一组数据测试完成后，逐步卸载；重复实验步骤，七组数据测试完毕，逐

19、步卸载，并去除预紧；整理数据，填写实验报告。2.4.3主要技术参数1.螺栓粘贴应变片处直径：d=12mm，材料45钢，其弹性模量 e= 210gpa ；2.加载杠杆比：1:95；3.托架悬臂长：l=350mm；4.结合面尺寸：b=200mm，h=300mm，r1=125mm，r2=75mm，r3=25mm；5.秤砣：共4块（每块5kg）；6.螺栓中心垂直间距：l0 = 50mm。2.4.4实验设备及工具1.多功能螺栓组连接实验台；2.电阻应变仪；3.其它仪器工具：螺丝刀，扳手。2.4.5实验数据及分析 图18 按1-2-3-4.顺序预紧图19 按1-7-2-8.从上而下对称顺序图20 按6-1

20、2-5-11.从下而上对称顺序图21 按1-12-2-11-3-10.对角顺序图22 按1-12-6-7-2-11-5-8.对角对称顺序 图18、图19、图20、图21、图22为不同预紧顺序下，初始预紧应变为300，预紧结束各螺栓应变大小。 比较图19和图20，可知从上而下预紧和从下而上预紧结束后，应变仪显示数据均与初始数据相差较远，并且两种预紧顺序效果相差不大，说明在误差范围内，从下而下预紧与从下而上预紧作用差不多。 比较图18到图22，图21和图22相对于其他预紧顺序而言比较平缓，且离300水平线较近。 为此，以图21和图22数据进行处理：1234567891011122652562452

21、63270302299263266261261278表3 对角顺序加载应变数据123456789101112255248271290254262260263297274265302 表4 对角对称顺序加载应变数据 相比之下，可看出按1-12-6-7-2-11-5-8.预紧顺序要略好于按1-12-2-11-3-10-4-9.预紧顺序。所以对角对称加载顺序对预紧力变化小一点，加载效果更好一点。如此，按1-12-6-7-2-11-5-8.对角对称预紧顺序进行加载。我们对螺栓组施加600的预紧应变，其次加载50n、100n、150n、200n的负载，根据应变仪读出五组数据如下：123456789101

22、1120 n59459258959760659558661058561158859050 n602599592595599586593618585608580578100 n614604593591590575603624589604570566150 n628608595586584564611632592601563551200 n635618600585577555620636596600557544表5 螺栓应变的实测结果12345678910111250 n873-2-7-9780-3-8-12100 n20124-6-16-2017144-7-18-24150 n34166-11-

23、22-3125227-10-25-39200 n412611-12-29-40342611-11-31-46表6 螺栓受载后的应变差将螺栓受载后的应变差用图表示如下：图23 螺栓受载50n后的应变曲线图24 螺栓受载100n后的应变曲线图25 螺栓受载150n后的应变曲线图26 螺栓受载200n后的应变曲线 图2326为实验台在加载1-4个砝码时，1-12号螺栓的微应变（取平均值）分布曲线，纵坐标为螺栓的应变值，横坐标是螺栓编号。从图中可以看出，在翻转力矩的作用下，螺栓在翻转轴线上部微应变为正值，螺栓受拉，下部微应变为负值，螺栓受压。且1-6号螺栓和7-12号螺栓的应变值大体是一一对称的。 1

24、-6号螺栓的应变随砝码数量增多的变化曲线 7-12号螺栓的应变随砝码数量增多的变化曲线图27 1-12号螺栓的应变随砝码数量增多的变化曲线 图27中，横坐标表示加载的砝码个数，纵坐标表示各个螺栓受翻转力矩作用下的微应变数值。从图中可以看出，1-3号和7-9号螺栓受拉，4-6号和10-12号螺栓受压。并且随着砝码的增加螺栓所受的应力也增加，且大致呈线性变化。图28 1-12号螺栓应变分布合成图图28为1-12号螺栓在分别加载1-4个砝码时的微应变分布合成图；横坐标为螺栓编号，纵坐标为螺栓应变值，从图中可以看出，在加载不同的力时，这五条曲线都几乎相交于一点，此点的横坐标即翻转轴线所在的位置。由图可

25、知，翻转轴线大致在第3、4根及第9、10根螺栓中间。图31 1-12号螺栓应变理论分布曲线图31为为1-12号螺栓在分别加载1-4个砝码时的微应变理论曲线，与图30进行对比可以看出，我们测得的螺栓微应变分布曲线大致与理论曲线重合，但是由于实验误差的存在，不可能做到完全一致，但是都在误差允许范围内。这便证明了此实验台经修复后可以正常使用。 计算螺栓的相对刚度系数：（取平均值）与理论计算时所取系数基本一致。3.实验台的不足之处及改进措施 在实验过程中，我们还发现实验台存在很多不足之处： （1）实验指导书给出的部分数据不够准确，影响实验数据的准确性； （2）杠杆与工作台连接处采用凸台与凹槽连接，连接

26、情况不太理想，杠杆容易偏移、振动； （3）杠杆长度不够，挂秤砣时，秤砣与工作台产生干涉，无法让秤砣悬空加载在杠杆端部；（4）螺栓组没有固定螺栓周向转动的装置，在预紧螺栓时，容易让螺栓转动，改变应变片的位置，引起测量误差（当螺栓弯曲时，应变片在螺栓正上方和螺栓侧面所产生的轴向伸长量不同）；改进措施： （1）已通过理论计算及实验修正了数据； （2）改变杠杆与工作台连接方式，变原来的凸台凹槽连接为销轴连接，以使杠杆安装较为稳定，不会偏斜； （3）加长绿色杠杆的长度，使杠杆端部伸出工作台较长距离，以使秤砣可以悬空加载到系统中，同时还要适当调整每一级杠杆的放大比，以使总的放大比保持不变；（4）同时，在螺

27、栓一端大直径处某一段改成长方体，该段与工作台中的矩形孔配合，以防止预紧时的扭矩引起螺栓转动；4. 成果 在整个实验过程中，我们取得了丰硕的成果：首先，我们对整个实验台的十二根螺栓的应变进行了理论计算，用以指导我们的整个实验过程；其次，为了更加形象直观的分析十二根螺栓的应力应变情况，我们对整个实验台进行了三维建模，并进行了有限元分析，用以验证我们的实验结果；实验过程中，我们找到了最好的施加预紧力的顺序，减小了实验误差。我们还对实验过程中发现的实验台的不足之处提出了改进建议，并且完成了技术总结报告。5. 心得体会 这门课程不同于其他课程，这是小组工作的的课程，给了我们不一样的训练，我们也有了不同的

28、收获。1） 团队理念更加清晰，团队创新实验，第一个关键词是团队，大家围绕团队而聚拢，以团队为凝聚力，充分体验了团队成员的身份与兼具的责任，意识到团队合作与个人努力的差别。团队的目标是我们的首要目标，每个人的工作在团队的指引下进行，我们做到个人钻研与团队讨论相结合，提高了团队效率，为完成同一任务而贡献个人力量。团队中的沟通，是团队合作的重点，避免了钻牛角等问题。2） 创新，是这一实验的关键。我们进行了多次讨论，查阅资料，最终达到一致，才有了我们小组的创新点。说是创新点，其实是改进，实验原理是没有问题的，我们对试验台进行些许改进。虽然这点创意并不能很大的改变实验的结果，但是可以在做实验时更加方便，实验误差也会更小。3） 准备很重要。我们动手之前，准备任务也很多。切勿什么都没计划好就动手。一开始，我们都是聚齐后直接到实验室，结果到了实验室后大家都不知道做什么，时间就白白浪费了。以后我们都是确定计划好试验任务后才去实验室，这样工作效率就比较高了。比如这次选择的试验台，比较破旧，杠杆老是达不到要求，平衡点更不好固定，砝码也不能直接加上去，我们就先采用了垫片进