螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择

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* 所示&
螺 栓 受 到 的 总 拉 力 !$ 等 于 残 余 预 紧 力
!% 与 工 作 拉 力 !* 之 和 & 总 拉 力 !$ 的 计 算 公
凿岩机械气动工具 !!""! "" #
残余预紧力
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图" 螺栓内部残余预紧力 !# 变化示意图
时间
式为$
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螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择
周志鸿 ! 李 静
" 北京科技大学 土木与环境工程学院设备工程系 ! 北京
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摘要 ! 介绍了承受交变载荷的螺栓联接进行疲劳强度计算的几种方法 $ 按照最 小应力保持不变计算 % 按 照 应 力 幅 计 算 % 按 照 应 力 比 保 持 不 变 计 算 % 用 疲 劳 损 伤 累 积假说计算和有限元法计算 & 并用前四种方法对两个实例进行了计算比较 ! 得出各 计算方法的选择依据 & 关键词 ! 螺栓联接 ’ 疲劳强度 ’ 计算方法 中图分类号 !!"#$%&’ 文献标识码 !#
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有所长 & 实际进行疲劳强度计算时 ! 应根据
凿岩机械气动工具 !!""!""#
栓 直 径 为 !" ## ! ! $! % &!’ ()##& ! !* %
机械设备中重要的螺栓疲劳强度的计算和 校 核 !应 该 选 用 方 法 !! 即 按 照 最 小 应 力 保 持不变进行疲劳强度计算( 对于机械设备 中一般性的螺栓疲劳强度的计算和校核! 应 该 选 用 方 法 &! 即 按 照 应 力 幅 进 行 疲 劳 强度计算( 对不重要的螺栓联接疲劳强度 的 计 算 和 校 核 !应 选 用 方 法 3! 即 按 照 应 力 比保持不变进行疲劳强度计算$ "& ’ 对 于 承 受 非 规 律 性 的 变 应 力 的 螺 栓 ! 应 按 照 疲 劳 损 伤 累 积 假 说 " 方 法 " ’! 即 米 奈 " 901:; ’ 法 则 ! 进 行 疲 劳 计 算 $ "3 ’ 用 有 限 元 法 对 交 变 载 荷 作 用 下 螺 栓 疲 劳 寿 命 的 计 算 " 方 法 - ’! 可 以 利 用 有 限元分析的应力结果! 按照介绍的疲劳强 度公式计算螺栓的疲劳强度! 也可以直接 在有限元软件中进行螺栓疲劳计算! 现在 这种方法还很少有人应用! 今后应加强这 方面的研究! 推广用有限元法对螺栓进行 疲劳寿命的分析$ 参考文献!
工作拉力
一 介 绍 !并 加 以 比 较 &
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螺栓的受力分析
绝大多数螺栓联接都是紧联接! 在承
受 预 紧 力 !( 作 用 的 同 时 ! 还 承 受 由 ) 到 !* 循环变化的脉动工作载荷! 典型脉动工作 载 荷 变 化 图 参 见 图 %&
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图! 螺栓工作拉力 !" 变化示意图
时间
螺栓在承受工作载荷后! 根据螺栓和 被 联 接 件 的 变 化 情 况 ! 螺 栓 的 预 紧 力 !) 会 减 少 至 残 余 预 紧 力 !% ! 其 变 化 示 意 图 如 图
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$$ 材料对称循环拉压疲劳极限 ! !+, $ 具体值可由下式计算得出
疲劳强度的计算 !其计算公式为!."
!13 - !!3" !!!3" !3
式中
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!+, - *&’.(!1 / !0#
$$ 材料的抗拉强度极限 ! 具体值 !0 $ 可查机械设计手册
凿岩机械气动工具 !!""! "" #
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其中
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$$ 循环基数 ! 对钢材拉压疲劳 ! $# $ $# ! ""!"# % " "#$ $$ 材 料 常 数 ! 对 钢 材 拉 压 疲 劳 ! ($ ( ! $!%# $$ 第 & 个变应力的应力幅值 !& $ $$ 变应力 !& 的循环次数 ’& $ $$ 许用安全系数 ! 对螺栓联接 ! ’’( $
式中
"# % !% "# $ "%
"# 称为螺栓的相对刚度 ! 其取值 "# $ "%
"# & 由垫 片 材 料 决 定 ) 一 般 推 荐 下 列 数 据 $ 金 属 垫 片 或 无 垫 片 &’%( &)! ! 皮 革 垫 片 &)* ! 铜 皮 石 棉 垫 片 &)+ ! 橡 胶 垫 片 &), -#. ) 由 式 * # # 可 以 看 到 ! 总 拉 力 !! 由 !& 到
$$ 尺寸系数 !具体值可查文献!%" #! $ $$ 表面质量系数 ! 具体值可查文 $! $ 献
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!"#
按照应力比保持不变计算疲劳强度 还有一种螺栓疲劳强度计算的方法 ! 即
$$ 强化系数 ! 具体值可查文献!%" $2 $ $$ 循环拉应力的应力幅 !3 $
按照应力比 % - !)8!’ 保持不变进行计算
’( 螺栓的总拉力 !! ( (( 螺栓的预紧力 !& ( (( 螺栓的工作拉力 !% ( (( 螺栓的刚度 "# ( (( 被联接件的刚度 "% (
总拉力
!!%&’ 变 化 ! 总 拉 力 !! 的 变 化 示 意 图 如 图 !
所示)
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图! 螺栓受到的总拉力 !! 变化示意图
时间
因素 &
&3 - "&.435 8 &*%9’
式中 $$ 螺栓的拉力幅 &3 $ $$ 螺栓的总拉力最大值 &.435 $ $$ 螺栓的预紧力 &* $ 拉力幅是影响螺栓疲劳强度的主要因 素 !由 ! - & 可 知 !可 按 照 应 力 幅 进 行 螺 栓
!13 - !+, ! !!" !?3
式中 $$ 计算安全系数 !13 $
承受交变载荷作用的螺栓联接! 其失 效形式主要为疲劳破坏! 此时进行螺栓强 度计算除了用最大载荷进行静强度计算 外 !还 须 进 行 疲 劳 强 度 的 计 算 !以 保 证 该 零 部件既不会在最大载荷下发生静强度断 裂 !也 不 会 在 循 环 载 荷 下 发 生 疲 劳 破 坏 & 本 文将对现有的螺栓疲劳强度的计算方法作
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螺栓疲劳强度计算与校核的 方法简介
按照最小应力保持不变计算疲劳强度 由图 ! 可以看出 ! 螺栓承受拉力最小值
即 !012 " " 对螺栓进行疲劳强度计算 ) 其疲 劳强度计算的强度公式为
)*& " %!3# $ *+! 3 "!#!012 ! -). *+! $ "!#*%!& $ !012#
5!6 濮 良 贵 ! 纪 名 刚 . 机 械 设 计 596. 北 京 & 高 等 教 育
出 版 社 ! &//3
!+,-- ()## ! !! % "." ! "!% /.!- ! !#01 % 23,/4 ()##& ! 5 "!6 % !.- $ 在 完 全 相 同 的 前 提 下 ! 分 别 采 用 方 法 ! %& %3 对 螺 栓 进 行 疲 劳 强 度
!)/!’
!"’ -
!3 - !435 + !467 ’
$$ 最大应力值 !435 $ $$ 最小应力值 !467 $ 满足式 "’%条件即为满足疲劳强度要求 &
!8, !数意义同上 满足式 (: #条件即为满足疲劳强度要求 &
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用疲劳损伤累积假说计算疲劳强度 前面介绍的几种计算螺栓疲劳强度的
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计 算!得 到 的 安 全 系 数 分 别 为 计算方法 计 算 安 全 系 数 #7*
!最 小 应 力 保 持 不 变 & 应力幅 3 应力比保持不变 " 疲劳损伤累积假说
!."!.4! !.+" &.2!
由上面的计算结果可以看出& 在已知 条件均相同时! 按照最小应力保持不变进 行 疲 劳 强 度 计 算 " 即 方 法 !’ 的 计 算 安 全 系 数最小( 按照应力比保持不变进行疲劳强 度 计 算 ) 即 方 法 3’ 的 计 算 安 全 系 数 偏 大 ( 按 照 应 力 幅 进 行 疲 劳 强 度 计 算 " 即 方 法 &’ 的计算安全系数居中! 故方法 ! 的计算结 果偏于安全(方法 3 的计算结果偏于危险! 方法 & 的计算结果居中$
$$ 循 环 拉 应 力 的 应 力 幅 !3 $
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$! - " %! / , +, % , #! $! $2
其中 $$ 有效应力集中系数 ! 具体值可 %! $ 查文献
!%"
!3 - !435 8 !467 ’
$$ 许用应力幅 !同上 !!3" $ 满足式 (; #条件即为满足疲劳强度要求 &
’’( ! ")%!%)# 满 足 条 件 "$ % 即 为 满 足 疲 劳 强 度 要 求 & #$"