单个螺栓强度计算分析
单个螺栓的强度计算
一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、 Q235、15、35、45等
受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，如15Cr、 40Cr、30CrMnSi、15CrVB等
其它对螺纹有特殊要求（如防腐、耐高温）时，应选择有特 殊性能的材料。
7.5 螺纹联接件的材料和许用应力
擦力矩T1而形成的扭转剪应力。
➢螺栓预紧力
F0
Kf f
FR m
当f=0.15、Kf=1.1、m=1时，可得
F0 01.1.1F5R17FR
此结构，要使联接不发生滑动，螺栓要承受7倍于横向外载荷的预紧力。结 构笨重、不经济。因此要避免这种结构，而采用新结构。
7.3 单个螺栓联接强度计算
承受轴向静载荷的紧螺栓联接 ➢受力特点
7.7 滑动螺旋传动简介
3.材料 一般螺杆的选用原则如下：
高精度传动十多选碳素工具钢
需要较高硬度，可采用铬锰合金钢或者采用65Mn钢 一般情况下可用45、50钢
螺母材料可采用铸造锡青铜，重载低速的场合可选用铸造铝铁 青铜，而轻载低速时也可选用耐磨铸铁。
7.8 滚动螺旋传动简介
在螺杆和螺母制建设有封闭循环的滚道，在滚道间填充钢珠， 使螺旋副的滑动摩擦变为滚动摩擦，提高传动效率，这种传动称为 螺旋传动，又称为滚珠丝杠副。
这里F为单个螺栓的轴向载荷, F0'为残余轴向预紧力
7.3 单个螺栓联接强度计算
7.3.2 受剪切螺栓联接
受力特点：螺栓受载前 后不需预紧，横向载荷靠螺 栓杆与螺栓孔壁之间的相互 挤压传递。
➢挤压强度条件
p
FR
ds
[p]
➢剪切强度条件
mFdRs2/4[]
螺栓强度计算
――受力不均匀因数，受压螺母 =1，受拉螺母 =1.5~1.6；
――缺口应力集中因数，按表3查得；
――抗压疲劳极限，按表4查得；
――安全因数，控制预紧力 =1.5~2.5，不控制预紧力 =2.5~5。
表1螺栓连接
一、螺栓受力分析：
螺栓为受轴向载荷紧螺栓连接（动载荷），受轴向载荷紧螺栓连接（动载荷）的基本形式如下图所示：
二、受轴向载荷紧螺栓连接（动载荷）的基本公式：
（1）许用应力计算公式：
（2）强度校核计算公式：
式中：
――轴向载荷，N；
――螺栓小径，mm，查表获得；
――相对刚度，按表1选取；
――尺寸因数，按表2查得；
表3缺口应力集中因数
表4抗压疲劳极限
三、计算内容：
相关参数如下表：
（1）许用应力计算：
（2）强度校核计算：
四、结论：
由上述计算可知，螺栓强度满足要求。
螺栓组连接强度设计
用4.6级的Q235螺柱，拧紧时控制预紧力,取1.5 ，于是（P86表5-8、P87表5-10）
[] sS 24 1 .5 0 1M 6a 0P
由强度条件得：
d1 4 1 [ .3]F 2 5.21 164 00 .26 17.2 0m 72m
查手册，取M16 （其d1=13.835>计算值12.07）。
K sT
z
f ri
i1
ca 1 d .3 1 2 F 0 /4 或d 14 1 .3 F 0 d
2）铰制孔用螺栓连接
变形量越大，则所受工作剪力越大
Fi Fmax ri rmax
Fi
Fmax rmax
ri
ri rm ax Fmax
Fi
力矩T 平 F 1r1衡 F 2r2 ： F zrz
即T ： F rm ma a(x r x 12r2 2rz2)
受力最大力 螺F ： m 栓 axL1 2 的 M L2 2 工 L m ax L 作 2 zM 拉 zL L m 2 i ax
受力最大螺栓 ：F的 2F总 0C 拉 bC bC 力 mFmax i1
ca 1 d .3 1 2 F /2 4 或d 14 1 .3 F 2 d
校核接合面的强度计算： 底板受力分析 受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图 F0
五、采用合理的制造工艺方法： 1）冷墩头部、滚压螺纹 2）氮化、氰化、喷丸等处理。
谢谢
F2 m
B1
F
C1
F2
F1
小结： 1.在实际工作中，螺栓所受的工作载荷往往是以上四中
简单形式的不同组合，但不论受力多复杂，都可以将 复杂状态简化成以上四中简单的受力状况，先分别求 螺栓的工作载荷，然后向量迭加，就可求出螺栓所受 的总工作载荷；
单个螺栓联接受力分析和强度计算
设计螺栓直径，计算应力幅σa 选择螺栓材料、性能，确定[σa]
校核螺栓变载荷强度 σa ？ [σa]
例题6.1 已知气缸工作压力在0MPa~0.5MPa之间变化，工作温度<125℃，气缸内直径 D2=1100mm，螺栓数目z=20,采用铜皮石棉垫片。试计算气缸盖螺栓直径。
1. 计算螺栓受力
3. 确定许用应力幅、校核
知识点：单个螺栓联接受力分析和强度计算
1.受拉松螺栓联接（计算直径）：
2.受拉紧螺栓联接：
知识点：单个螺栓联接受力分析和强度计算
3.受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接：
F0 螺栓总拉力 F 工作载荷 F’ 预紧力 F’’ 剩余预紧力
4.受变载荷情况（ [σa ]: 变载荷应力幅 ）：
知识点：单个螺栓联接受力分析和强度计算
例题6.1 已知气缸工作压力在0MPa~0.5MPa之间变化，工作温度<125℃，气缸内 直径D2=1100mm，螺栓数目z=20,采用铜皮石棉垫片。试计算气缸盖螺栓直在0MPa~0.5MPa之间变化，工作温度<125℃，气缸内直径 D2=1100mm，螺栓数目z=20,采用铜皮石棉垫片。试计算气缸盖螺栓直径。
4.受剪螺栓联接（挤压强度）：
（剪切强度） （挤压强度）
d 螺栓抗剪面直径 m 螺栓抗剪面数目
h 计算对象的受压高度
例题6.1 已知气缸工作压力在0MPa~0.5MPa之间变化，工作温度 <125℃，气缸内直径D2=1100mm，螺栓数目z=20,采用铜皮石棉垫 片。试计算气缸盖螺栓直径。
解题思路： 预紧力F’、变载荷F
螺栓疲劳强度计算分析
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊螺栓疲劳强度计算分析摘要：在应力理论、疲劳强度、螺栓设计计算的理论基础之上，以疲劳强度计算所采取的三种方法为依据，以汽缸盖紧螺栓连接为研究对象，进行本课题的研究。
假设汽缸的工作压力为0~1N/mm2=之间变化，气缸直径D2=400mm，螺栓材料为5.6级的35钢，螺栓个数为14，在F〞=1.5F，工作温度低于15℃这一具体实例进行计算分析。
利用ProE建立螺栓连接的三维模型及螺杆、螺帽、汽缸上端盖、下端盖的模型。
先以理论知识进行计算、分析，然后在分析过程中借助于ANSYS有限元分析软件对此螺栓连接进行受力分析，以此验证设计的合理性、可靠性。
经过近几十年的发展，有限元方法的理论更加完善，应用也更广泛，已经成为设计，分析必不可少的有力工具。
然后在其分析计算基础上，对于螺栓连接这一类型的连接的疲劳强度设计所采取的一般公式进行分类，进一步在此之上总结。
关键词：螺栓疲劳强度，计算分析，强度理论，ANSYS 有限元分析。
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊Bolt fatigue strength analysisAbstract: In stress fatigue strength theory，bolt，design calculation theory foundation to fatigue strength calculation for the three methods adopted according to the cylinder lid，fasten bolt connection as the object of research，this topic research. Assuming the cylinder pressure of work is 0 ~ 1N/mm2 changes，cylinder diameters between = = 400mm，bolting materials D2 for ms5.6 35 steel，bolt number for 14，in F "= 1.5 F below 15 ℃，the temperature calculation and analysis of concrete examples. Using ProE establish bolt connection three-dimensional models and screw，nut，cylinder under cover，cover model. Starts with theoretical knowledge calculate，analysis，and then during analysis，ANSYS finite element analysis software by this paper analyzes forces bolt connection，to verify the rationality of the design of and reliability. After nearly decades of development，the theory of finite element method is more perfect，more extensive application，has become an indispensable design，analysis the emollient tool. Then in its analysis and calculation for bolt connection，based on the type of connection to the fatigue strength design of the general formula classification，further on top of this summary. Keywords: bolt fatigue strength，calculation and analysis，strength theory，ANSYS finite elements analysis.┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录1绪论 (5)1．1绪论 (5)1.2 疲劳强度的概念及常见的疲劳损伤类型 (5)1.3影响疲劳强度的因素 (5)1.4前景展望 (6)1.5研究的目的意义 (6)2相关背景知识 (7)2.1背景知识 (7)2.1.1强度理论及疲劳强度的计算主要有三种方法： (7)2.4螺栓连接的结构设计的原则 (13)3 Pro/E三维造型 (14)3.1 ProE简介 (14)3.2螺栓连接零件图 (14)4实例分析 (18)4.1理论分析 (18)4.1.1计算各力的大小 (18)4.2理论分析总结 (20)5 ANSYS有限元分析 (21)5.1ANSYS有限元分析 (21)5.1.1分析软件及工作原理介绍 (21)5.1.2 ANSYS分析求解步骤 (22)5.2 ANSYS分析 (22)5.3ANSYS分析总结 (26)总结 (27)[参考文献] (28)致谢 (30)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1绪论本章主要介绍疲劳强度的基本概念及疲劳损伤的类型，影响疲劳强度的因素，以及作此设计的前景、目的和意义。
螺栓强度计算.doc
15.2.1 单个螺栓连接的强度计算螺纹连接根据载荷性质不同，其失效形式也不同：受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的铰制孔用螺栓连接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，栓杆或被连接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或连接时常装拆，很可能发生滑扣现象。
螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。
采用标准件时，这些部，然后按照标准选定螺纹公称直分都不需要进行强度计算。
所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1径（大径）d，以及螺母和垫圈等连接零件的尺寸。
1. 受拉松螺栓连接强度计算松螺栓连接装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前，除有关零件的自重（自重一般很小，强度计算时可略去。
）外，连接并不受力。
图15.3所示吊钩尾部的连接是其应用实例。
当螺栓承受轴向工作载荷 F (N)时，其强度条件为(15-6)（15-7）或——螺纹小径，mm；式中： d1[σ]——松连接螺栓的许用拉应力，Mpa。
见表15.6。
图15.32.受拉紧螺栓连接的强度计算根所受拉力不同，紧螺栓连接可分为只受预紧力、受预紧力和静工作拉力及受预紧力和变工作拉力三。
①只受预紧力的紧螺栓连接右图为靠摩擦传递横向力F 的受拉螺栓连接，拧紧螺母后，这时栓杆除受预紧力F`引起的拉应力σ=4 F` /π2 d1外，还受到螺纹力矩T1引起的扭转切应力：对于螺栓故螺栓或式②受预紧力和工作载荷的紧螺栓连接。
图15.5所示压力容器螺栓连接是受预紧力和轴向工作载荷的典型实例。
这种连接拧紧后螺栓受预紧力F`，工作时还受到。
螺栓强度计算
第三章 螺纹联接（含螺旋传动)3—1 基础知识 一、螺纹的主要参数现以圆柱普通螺纹的外螺纹为例说明螺纹的主要几何参数，见图3—1,主要有：1）大径d —-螺纹的最大直径,即与螺纹牙顶重合的假想圆柱面的直径，在标准中定为公称直径.2）小径1d ——螺纹的最小直径，即与螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。
3）中径2d ——通过螺纹轴向界面内牙型上的沟槽和突起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，2d ≈11()2d d +。
中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。
４)线数n ——螺纹的螺旋线数目。
常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹。
为了便于制造,一般用线数n ≤４.５）螺距P ——螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。
６)导程S -—螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。
单线螺纹S ＝P ，多线螺纹S ＝nP 。
７）螺纹升角λ-—螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。
在螺纹的不同直径处，螺纹升角各不相同.通常按螺纹中径2d 处计算，即22arctanarctan S nP d d λππ== （3—1） 8）牙型角α-—螺纹轴向截面内,螺纹牙型两侧边的夹角。
螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角称为牙侧角，对称牙型的牙侧角β＝α/2.9）螺纹接触高度h —-内外螺纹旋合后的接触面的径向高度.二、螺纹联接的类型螺纹联接的主要类型有:图3-11、螺栓联接常见的普通螺栓联接如图3—2a所示.这种联接的结构特点是被联接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙。
图3-2b是铰制孔用螺栓联接。
这种联接能精确固定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。
图3-22、双头螺柱联接如图3—3a所示，这种联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合,例如被联接件之一太厚不宜制成通孔，且需要经常拆装时，往往采用双头螺柱联接。
单个螺栓连接的强度计算
1.3 4 20000 200
=12.86mm
查标准:
M16
d1=13.835mm
2、受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接 强度计算
预紧力FP
FP
F
工作拉力
D / 4 F p z
2
螺栓承受的总拉力
FQ F p F
D
？
FQ F p F
气缸螺栓连接图
FQ ？
Fp
Fp
b
螺栓受力与变形
变形
m
变形
被连接件受力与变形
单个紧螺栓连接受力变形图
力 F
FQ
Q
F F
' p
Cb
Fp
Fp
F
F tanb Cb
b
tan b C m
Fp
m
tan m
F
F F Cm
Cb F F Cb Cm
b
b
m
F p
F p
未拧紧
已拧紧,未受工作载荷 螺栓拉伸；被连接件压缩
b
m
F p
'
m
F p
1
2
F
FP
F p
残 余 预 紧 力
未拧紧
已拧紧,未受工作载荷
再受工作载荷F
螺栓继续拉伸；被连接件要恢复变形，压缩量减小
螺栓所受的总拉力 F
Q
F F
' p
FQ F p F
d
2 1
[ ]
4
铰制 螺栓
4
F
d 0 / 4
2
F p p d 0 Lmin
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
∆λ F1 F1
F2 F
设计：潘存云
FF
∆λ
受载 F2 变形
力
力
θb λb
F0 螺栓变形
F0 θm
λm 联接件变形
力
F0
∆λ
λb
λm
tan θb=Cb
F F2
F1 螺栓变形
螺栓刚度 tan θm=Cm
被连接件刚度
bm
bF2C bF0FC F1bF0
机械设计
单个螺栓的强度计算
福州大学机械工程及自动化学院 姚立纲
知识回顾: 螺纹的类型
几种常用螺纹?
三角形、管螺纹、梯形、锯齿形、矩形
螺纹联接的类型
螺栓联接（2种）
双头螺柱联接 螺钉联接
区别?
三种联接应用场合?
螺栓联接的预紧与防松 预紧的目的、防松的根本问题、防松方法 ???
07年08月21日 台湾华航客机 的残骸散落在 日本冲绳岛的 柏油马路上， 机上165名乘 客已安全逃离。
3. 设计准则——保证螺栓拉伸强度 4. 强度条件： σ≤[σ]
5. 危险截面应力计算：
验算式：
4F
d12
[ ]
设计式：
d1
4F
[ ]
[σ] 螺栓材料及许用应力， （表5.8） F 工作拉力
6. 设计计算方法 根据d1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）
???
（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）
F2
4
d
2 1
最小拉应力为：
min
F0
4
d
2 1
应力幅为： am2 ax m in C bC b C m 2 d F 1 2a
安全系数应满足： Sca(2K 1 tc (K ) 2 ( a ) m m)in in S
Sca(2K 1 tc (K ) 2 ( a ) m m)in in S
F0
T1
F
F
F
F
F0
既受预紧力又受工作载荷
自然状态
特别注意，轴向载荷：
F2≠ F0+F
加预紧力后→螺栓受拉伸长λb
→被联接件受压缩短λm
加载 F 后:
螺栓总伸长量增加为:
F0
设计：潘存云
松弛 状态
λm
F0 F0
λb
预紧
F0状态
λb + ∆λb(=∆λ) 被联接件压缩量减少为：
λm - ∆λm (=∆λ) 残余预紧力减少为： F1
强度条件 设计公式
ca
1.3F0 d12
[]
4
d1
1 .3 F0 []
4
由此可见，对于M10~M64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。
（二）受横向载荷作用的普通螺栓联接 1. 受载荷类型： 横向载荷（FΣ）
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
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
轴向载荷
横 向 载 荷
普通螺栓联接
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
•
相对移动、剪断、压溃等
动载荷作用: 疲劳破坏，90%螺栓联接发生疲劳破坏
设计公d式 1 ： 41[ .3]F2
（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 危险截面的最大拉应力为：
max
铰制孔螺栓
F
F/2
（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： σp≤[σ]p
τ ≤[τ]
剪切强度 条 m4F 件 d02： []
挤压强度p条 d0件 Fmi： n[]p
（四）受轴向载荷的螺栓连接
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 一个2-3cm的洞。
问题: 如何确定螺栓的个数、直径、长度、分
布、精度等级……?
今天介绍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
螺栓螺纹牙和螺母螺纹牙与螺栓杆等强度设计 实验表明
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： σca≤[σ]
5. 危险截面应力计算：
拉伸应力
F0
d
2 1
4
预紧力F0作用
扭转剪应力
F0
tan(
v )
d2 2
d13
摩擦力矩T1作用
16
近似处理
（ M 10~M64螺栓）
0.5
应力合成 c a 2 3 2 2 3 (0 .5 )2 1 .3
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： σca≤[σ]
预紧力产生的摩擦力 mF0
可能移动的趋势 k s F
F0
不发生滑移的条件 mF0Fks
即：
F0
Fk s m
m结合面数，ks（1.1－1.3）防滑系数，μ摩擦 系数，F０预紧力，ＦΣ 横向载荷。
σ-1tc 螺栓材料对称循环拉压疲劳极限（表5－4）
Ψσ 试件材料常数，
将Ｆ０代入公式
ca
1.3F0 d12
[]
4
或者
d1
1 .3 F0 []
4
可进行验算或者设计螺栓（保证不滑移的情况下）
当m=1, μ=0.1, ks=1.3 时：
F0 13F
F0
Fk s
m
F０是FΣ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。
键、套筒、销
F/2
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
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
螺 栓 联 接
Fa
伦敦千年穹顶
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）
m
F0 F1 Cm
得：
F1
F0
Cm CmCb
F
F0 F1CmCmCb F
F2
F0
Cb Cb Cm
F
总拉力等于预紧力加部分工作载荷之和
Cb Cb Cm
相对刚度系数，书７４页
C mC b, F 2F 0
F2
C mC b, F 2F 0F
F0
Cb Cb Cm
F
螺栓拉伸强度 条 14.3d件 F122 ： []