机械设计单个螺栓强度计算

1、单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算知识回顾知识回顾: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?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?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

2、。客已安全逃离。 负责前襟翼摆动的金属螺帽，在降落时，因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为激烈震动脱落，将后方的右主翼燃料槽打破了一个一个2-3cm2-3cm的洞。的洞。 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、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。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螺栓螺纹牙和螺母螺纹牙与螺栓杆等强度设计实验表明实验表明 螺栓联接的强度计算：

3、螺栓联接的强度计算： 确定螺纹精度等级、确定螺纹精度等级、小径小径d1 按照按照GB选定：选定： 螺纹公称直径螺纹公称直径d及螺距及螺距P分析思路分析思路 一、载荷分类一、载荷分类 轴向载荷：轴向载荷： 过螺栓过螺栓轴心线轴心线 横向载荷：横向载荷： 与螺栓轴心线垂直与螺栓轴心线垂直普通螺栓联接普通螺栓联接轴向载荷轴向载荷横横向向载载荷荷二、失效形式二、失效形式 静载荷作用静载荷作用: 螺纹牙塑性变形、螺栓被拉断、扭断、缝隙螺纹牙塑性变形、螺栓被拉断、扭断、缝隙 相对移动、剪断、压溃等相对移动、剪断、压溃等?动载荷作用动载荷作用: 疲劳破坏，疲劳破坏，90%螺栓联接发生疲劳破坏螺栓联接发生疲劳

4、破坏三、设计准则：三、设计准则：受拉（普通）螺栓：受拉（普通）螺栓： 保证螺栓的静力保证螺栓的静力( (或疲劳或疲劳) )拉伸强度、扭转强度拉伸强度、扭转强度受剪（受剪（铰制孔铰制孔）螺栓）螺栓 保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度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，只受工作载荷松螺栓联接：不受预紧力，只受工作载荷FaFa螺螺栓栓联联接接伦敦千年穹顶伦敦千年穹顶 螺栓材料及许用应力，螺栓材料及许用应力， （表（表5.8）F 工作拉力工作拉力1.受载荷类型受载荷类型轴向拉伸（工作拉力轴向拉伸（工作拉力F）2.失效形式失效形式螺栓

5、拉断（静、疲劳）螺栓拉断（静、疲劳）3.设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度4.强度条件：强度条件： 5.危险截面应力计算：危险截面应力计算：421dF验算式：验算式：41Fd 设计式：设计式：6.设计计算方法设计计算方法 根据根据d1查手册，求公称直径查手册，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）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（一）只受预紧力作用的螺栓联接1.受受载荷载荷形式形式轴向拉伸（预紧力轴向拉伸（预紧力F0） 扭转（摩擦力矩扭转（摩擦力矩T1）2.失效形式失效形式螺栓拉断、扭断螺栓拉断、扭断3.设计准则设计准

6、则第四强度理论第四强度理论4.强度条件：强度条件： ca ?4210dF拉伸应力拉伸应力162)tan(3120ddFv扭转剪应力扭转剪应力5 . 0近似处理近似处理（ M 10M64螺栓）螺栓）预紧力预紧力F0作用作用5.危险截面应力计算：危险截面应力计算：摩擦力矩摩擦力矩T1作用作用43 . 1210dFca强度条件强度条件3 . 1)5 . 0( 332222ca应力合成应力合成43 . 101Fd设计公式设计公式由此可见，对于由此可见，对于M10M64M10M64普通螺纹的钢制螺栓，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，但在计在拧紧时同时承受拉伸和扭转的联合作用，但

7、在计算时可以只按拉伸强度计算，并将所受的拉力（预算时可以只按拉伸强度计算，并将所受的拉力（预紧力）增大紧力）增大30%30%来考虑扭转的影响来考虑扭转的影响1.受载荷类型受载荷类型横向载荷（横向载荷（F） 预紧力（预紧力（F0） 摩擦力矩（摩擦力矩（T1）2.失效形式失效形式螺栓拉断、扭断、滑移螺栓拉断、扭断、滑移3.设计准则设计准则第四强度理论第四强度理论4.强度条件：强度条件： ca （二）受横向载荷作用的普通螺栓联接（二）受横向载荷作用的普通螺栓联接预紧力产生的摩擦力预紧力产生的摩擦力0Fm可能移动的趋势可能移动的趋势Fks不发生滑移的条件不发生滑移的条件skFFm0即：即：mkFFs0

8、 m m结合面数结合面数，ks s（1.11.11.31.3）防滑系数防滑系数，摩擦系摩擦系数数，F F预紧力预紧力， 横向载荷横向载荷将代入公式43 . 1210dFcaF0FF13043 . 101Fd或者可进行验算或者设计螺栓（保证不滑移的情况下）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是是F的的13倍，倍，F0大，螺栓直径大，结构尺寸大，大，螺栓直径大，结构尺寸大，采用减载装置，或者受剪螺栓联接采用减载装置，或者受剪螺栓联接mkFFs0键、套筒、销键、套筒、销FF/2F/2铰制孔螺栓铰制孔螺栓（三）受横向载荷作用的铰制孔螺栓联接（三）受横

9、向载荷作用的铰制孔螺栓联接1.受载荷类型受载荷类型横向载荷（横向载荷（F） 2.失效形式失效形式剪断、压溃剪断、压溃3.设计准则设计准则剪切、挤压剪切、挤压4.强度条件：强度条件： pp 420dmF剪切强度条件：ppdFmin0挤压强度条件：(四四)受轴向载荷的螺栓连接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：潘存云松弛松弛状态状态受载受载变形变形特别注意，轴向载荷：特别注意，轴向载荷：F2 F0+F加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b被联接件受压缩短被联接件受压缩短m加载加载 F 后后:螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为: 总拉力为：总拉力

10、为：被联接件压缩量减少为：被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为：残余预紧力减少为： F1 很显然很显然: F1F0b + b(=)m - - m (=)预紧预紧状态状态bF0F0mF0F0F F设计：潘存云FFF1F1 F2F2F2=F+F1b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F2F1FF0F0mF0bmbmtan b=Cb螺栓刚度螺栓刚度tan m=Cm被连接件刚度被连接件刚度mmCFF10FCCCFFbmm10FCCCFFbmm01FCCCFFmbb02mbbbbCFFFCFF0102得：总拉力等于预紧力加部分工作载荷之和mbbCCC02,FFCCbmFF

11、FCCbm02,相对刚度系数，书页43 . 1212dF螺栓拉伸强度条件：3 . 1421Fd设计公式：FCCCFFmbb02（五）轴向（五）轴向变载荷变载荷作用螺栓联接作用螺栓联接 对于受轴向变载荷作用的重要螺栓联接，除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疲劳强度作精确校核 工作拉力在工作拉力在 0 F 间变化，螺栓总拉力在间变化，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：险截面的最大拉应力为：212max4dF210min4dF最小拉应力为：最小拉应力为：应力幅为应力幅为：ambbadFCCC21minmax22SKKSatcca)2)()(2minmin1安全系数应满足安全系数应满足：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.2-0.3K 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SKKSatcca)2)()(2minmin1a应力幅min最小应力值S安全系数，表尺寸系数，表受载荷类型受载荷类型失效形式失效形式设计准则设计准则强度条件强度条件确定设计确定设计参数参数普通普通螺栓