螺栓预紧

本计算用于对螺栓连接进行几何尺寸计算,并对螺栓连接在静态或者周期循环载荷状态下的螺柱及螺帽压紧部分的预紧力进行校核,程序可以解决以下问题:

  1. 自动对螺栓连接进行标准化设计;
  2. 特殊螺杆连接的计算及校核;
  3. 连接所需的装配预紧力及紧固扭矩设计及计算;
  4. 某承担负载的连接的受力条件计算;
  5. 静态和动态强度校核;
  6. 根据ISO,SAE和ASTM标准的螺栓常用材料表及根据AISI/SAE,DIN,BS,AF和其他标准的连接部分材料选择;
  7. 二维CAD系统支持。

本计算使用的数据,程序,算法来自专业资料及标准ANSI,ISO,DIN。
标准列表: ANSI B1.1, ANSI 273, ANSI B18.2.1, ANSI B18.2.2, ANSI B18.3, ANSI B18.6.2, ANSI B18.6.3, ANSI B18.22.1, ISO 273, ISO 1207, ISO 4016, ISO 4032, ISO 4035, ISO 4762, ISO 8738, VDI 2230

控制结构及语法

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项目信息

本项目的相关信息请查看 "项目信息"。

计算过程

在实际应用中,大部分螺栓和螺纹连接都需要进行预紧,其在装配过程中将产生内部轴向力(装配预紧),可以使得连接材料的表面连接在一起。

设计结构的连接处必须紧密连接,在此过程中将产生预紧力。螺栓连接的预紧力大小包含两个基本功能:当载荷作用域连接工件平面时,预紧力可以产生摩擦力以抵消剪应力;当载荷作用于螺栓轴向时抵消压应力或者拉应力。

根据以上所述,完整的螺栓连接设计包含以下步骤:

建议您在设计及校核过程中按照以下步骤:

  1. 在段[1]中选择连接类型,载荷的形式和大小;
  2. 设置必要的连接工作参数和装配参数;[2.1 - 2.13]
  3. 设置螺栓轴向载荷的作用系数 [2.15];
  4. 对于承受动态载荷的连接,选择螺纹类型,设计使用寿命,连接的稳定性及安全系数;[2.19 - 2.22]
  5. 设置设计方法,连接部件的材料和尺寸; [3]
  6. 选择螺栓材料[4.3]和螺纹类型[4.10];螺纹的最小直径的推荐列表可以用以参考。 [4.1]
  7. 点击行[4.11]中的按钮进行螺纹尺寸设计;
  8. 如果设计使用非标准螺栓,在段中进行几何定义;[4.16]
  9. 同样,如果您打算使用不同于六角螺母或者圆柱螺母或者球形座位表面, 您可以修改节[4.23]中的连接几何尺寸;
  10. 在节[5]中检查螺栓的受力条件或修改装配预紧力的大小[5.12];
  11. 在节[6]中对结果进行强度校核,如果校验结果不合适,请试着增加螺纹尺寸[4.11]或修改节[4.16, 4.23]中的参数;
  12. 以新的文件名保存当前设计方案。
备注:本计算用于单个螺栓连接设计。如果需要进行多螺栓设计,首先根据一般原理定义每个螺栓上的最大载荷,然后根据以上的计算过程对每个螺栓连接进行设计。

连接载荷及计算的基本参数 [1]

本段中要求输入基本输入参数,载荷的性质、方式及数量,连接的类型等。

1.1 计算单位

请在列表中选择所使用的计算单位,所有的数据将自动进行转换。

1.3 螺栓连接设计

根据结构的不同,一般有两种基本的螺栓连接设计:

  1. 使用螺钉的螺栓连接;
  2. 使用螺栓的螺栓连接。

在列表中选择设计连接的类型。

1.4 螺栓连接的载荷

根据载荷的不同,经过预紧的螺栓连接必须满足不同的需求,因此在计算装配预紧力时也需要不同的方法,下面是三种用于螺栓连接的不同方法:

  1. 载荷平行于螺栓轴向
    螺栓连接具有轴向载荷Fa,装配预紧力满足了接触面的紧密性要求,更精确的说,是工作状态下的紧密连接。连接预紧力必须能够满足在加载工作受力或其他力的情况下保证接触面之间紧密接触;
  2. 载荷垂直于螺栓轴向
    螺栓连接还受到连接部分的径向力Fr,装配预紧力产生的摩擦力与剪力相平衡,因此剪力可以用此时预紧力产生的摩擦力来计算;
  3. 组合载荷
    组合载荷方式下,必须考虑接触面的紧密性要求及剪力载荷。

从列表中选择所需的载荷形式,计算将自动的根据形式进行参数调整(所有跟当前选定类型无关的参数将自动隐藏)。

1.5 载荷形式

用户可以在列表中选择作用来连接上的载荷类型,螺栓连接可以在以下载荷类型中使用:

  1. 平稳(静态)
  2. 节律
  3. 反复
  4. 不对称脉冲
  5. 脉冲

当连接在周期载荷作用下时(图中B到E),需要对其疲劳强度进行额外校验。

从选择列表中选择载荷的设计过程,程序将根据选定的载荷类型修改配置,当前类型无效的参数将被隐藏。

备注:对于作用于连接工件平面外的径向载荷,载荷的类型参数对于计算不产生影响。练级的尺寸根据径向载荷的最大值决定。对于动态载荷,建议使用更高的抗偏系数,见行[2.2]。

1.6 螺栓连接载荷

本行中输入螺栓连接的作用力。在行[1.7]输入静态轴向载荷或者动态载荷幅度范围的最大值。在行[1.8]中输入动态载荷幅度范围的最小值。行[1.9]用于输入径向载荷,不过通常用于输入力的最大值。

警告:载荷的输入区域可以依照行[1.4,1.5]中的载荷模式的设置。

螺栓连接的工作及装配参数 [2]

本段种用于设计不同的工作和装配系数,以确定螺栓连接的预紧。

2.1 连接设计预紧系数

对于内聚部件接触表面和连接部件的固定位置将产生正确的预紧力。紧密性要求根据连接的紧密性确定,接触表面的预紧力由操作过程中保证连接的密封性决定。

该系数用于连接的压应力或拉应力设计;并给出了工件预紧力与最大工作载荷之间的载荷。该系数的设定将影响螺栓连接预紧力的设计大小。通常根据以下情况选择极限值:

连接的紧密性要求

恒定载荷 0.5 ... 1.5
变动载荷 1 ... 2

 

连接的坚固性要求 (变动载荷或者危险密封状态下使用更高值)

软密封 1 ... 2
金属密封 1.5 ... 3
金属垫圈 2.5 ... 4

 

备注:本系数对于螺栓径向载荷不起作用。

2.2 防止侧移安全系数

对于连接工件平面合适的连接设计,整个径向载荷必须使用连接工件中的摩擦力来抵消。该安全系数是连接实际剩余预紧力与用于抵消径向载荷的最小力的比值。为了满足剪应力,安全系数必须高于1,实际上根据工作技术特性和工件表面理论摩擦系数的近似值,该安全系数的范围一般为1.5到3。在变动载荷情况下选择更高值,对于混合载荷(见[1.4])或者冲击载荷,建议使用更高的安全水平。

备注:该系数对于轴向载荷不起作用。

2.3 螺栓屈服点的设计安全系数

所选材料螺栓的屈服点的最小允许比率以及螺栓型心内的最大对比应力。连接螺栓屈服点的安全下限通常选择参考负载类别,连接重要性,产品质量,工作条件以及计算精度,在1.5到3的范围内。下限值选择用于承载静态负载的连接,上限值用于承载动态负载连接。对于重要连接,冲击负载连接,工作于腐蚀条件或高工作温度下的连接,常常选择更高的安全值(3 ... 6)。设置安全系数的常规流程可以在 “安全系数”文件中找到。

警告:如果计算没有考虑任何附加弯应力[2.7]、工作温度[2.9],虽然这些实际作用着,建议您在螺栓设计时提高安全水平。

2.4 螺纹摩擦系数

螺纹摩擦系数根据材料,粗糙度,表面处理和螺旋角决定。螺纹摩擦系数的参考值见下面的表,对于平螺纹,摩擦系数通常更小。

无润滑螺纹(没有专门润滑但是不脱脂)

外螺纹

内螺纹

钢(未处理) 钢(电镀) 灰铸铁 铝合金
未处理 0.12 ... 0.18 0.14 ... 0.20 0.12 ... 0.18 0.12 ... 0.23
磷化处理 0.12 ... 0.18 0.14 ... 0.20 0.12 ... 0.18 0.12 ... 0.23
电镀 0.14 ... 0.23 0.14 ... 0.25 0.12 ... 0.19 0.14 ... 0.23
涂镉 0.09 ... 0.14 0.10 ... 0.16 0.09 ... 0.14 0.09 ... 0.15
脱脂 0.19 ... 0.25 0.19 ... 0.25 0.19 ... 0.25 0.19 ... 0.25

 

润滑螺纹

外螺纹

内螺纹

钢(未处理) 钢(电镀) 灰铸铁 铝合金
未处理 0.10 ... 0.17 0.12 ... 0.18 0.10 ... 0.17 0.11 ... 0.20
磷化处理 0.10 ... 0.17 0.12 ... 0.18 0.10 ... 0.17 0.11 ... 0.20
电镀 0.12 ... 0.20 0.12 ... 0.20 0.11 ... 0.18 0.12 ... 0.20
涂镉 0.08 ... 0.13 0.09 ... 0.15 0.08 ... 0.13 0.08 ... 0.14

2.5 螺栓头(螺母)接触摩擦系数

螺栓头部(螺母)的摩擦系数的大小取决于螺母和锁定零件材料,粗糙度,表面处理和润滑剂。下表列出了螺栓(螺母)不同材料的摩擦系数导向值。

螺栓头部 (螺母)

固定工件材料

镀锌钢 灰铸铁 铝合金
未处理,无润滑 0.10 ... 0.18 0.10 ... 0.18 0.12 ... 0.20 -
磷化处理,无润滑 0.10 ... 0.18 0.10 ... 0.18 0.12 ... 0.20 -
电镀,无润滑 0.10 ... 0.20 0.16 ... 0.22 0.10 ... 0.20 -
未处理,润滑的 0.08 ... 0.15 0.08 ... 0.15 0.08 ... 0.16 0.08 ... 0.20
磷化处理,润滑的 0.08 ... 0.15 0.08 ... 0.15 0.08 ... 0.16 0.08 ... 0.20
电镀,润滑的 0.09 ... 0.18 0.09 ... 0.18 0.10 ... 0.18 -

2.6 接触面摩擦系数

连接表面的摩擦系数大小取决于连接零件的材料,粗糙度,表面处理和连接表面的脱脂。参考以下导向值

表面处理

固定工件材料

钢与钢 钢与铸铁 铸铁与铸铁 铝合金
机械脱脂表面 0.12 ... 0.18 0.15 ... 0.25 0.18 ... 0.25 0.08 ... 0.15
未处理表面 0.15 ... 0.25 0.18 ... 0.30 0.20 ... 0.30 0.12 ... 0.20
粗糙表面 0.35 ... 0.55 -
喷砂表面 0.45 ... 0.55 -

2.7 螺栓的附加弯矩载荷

由于螺栓头部或螺母在安装表面不均匀组装而产生的额外弯曲应力。弯曲应力通常由于加工错误(安装表面不平行,不垂直于螺栓轴线)或由于负载下锁紧零件变形所致。弯曲应力可能几倍于螺栓型心的拉伸应力同时常导致螺栓的螺纹破损。额外弯曲应力总是非常危险的,远至螺栓的强度(动态负载下尤为明显)必须通过小心加工表面或使用垫圈,垫片来阻止。弯曲应力的大小可以通过减小连接螺栓的轴径或增加其长度来减小。

弯曲应力的大小取决于螺栓头部安装面与轴线垂直面的角度偏移[2.8]。从精度工程角度,最大允许角度偏移为δ=5'

备注:如果你不想在计算中含可能的弯曲应力影响,推荐增加屈服点[2.3]安全值50%

2.9 工作温度对连接预紧的影响

如果连接零件和螺栓由相同热膨胀系数的材料制造而成,相同温度下连接的所有零件的加热对连接中的受力无明显影响。

但是,一些螺栓连接会出现被加热的零件很难热传递到螺栓,因此螺栓温度低于临近零件。这会增加连接的工作预紧力以及螺栓负载增加。如果螺栓和连接零件为不同的热膨胀系数也会导致工作预紧力变化。在这些情况中,正确的设计必须计算工作温度的影响。

备注:如果你决定计入工作温度的可能性影响,连接组装的预应力[5.12] 将参考连接加热到工作温度下的变化来设计。否则,推荐使用更高的安全等级 [2.3]补偿连接中增加的工作预应力。
警告:软件不会处理工作温度对材料强度的影响。但是,实际工作中,较高的温度下强度减小;这将导致螺栓失效。温度效果在循环负载中是非常明显的。必须在决定目标安全系数[2.3, 2.22]中计入此影响。

2.12 使用连接的永久变形(装配)来减小组装预应力。

确定的永久连接变形发生在工作中的预压螺栓中。这个连接的“装配“通过例如螺栓或螺帽的压入,连接零件接触面压入和密封插入,螺栓的永久延长等等。变形可能导致工作中连接的预压力的缓慢减小同时也会导致连接可能性泄漏或不并紧。

下表给出了锁紧零件(包括螺纹)的永久压入的导向值,单位: [mm](括号内的数值单位是[in])

连接的拉应力/压应力

分开的连接数 连接的粗糙度
Ra >= 6.3 Ra <= 3.2
2 0.013 (0.0051) 0.010 (0.0039)
3 0.016 (0.0063) 0.012 (0.0047)
4 0.020 (0.0079) 0.014 (0.0055)
5 0.025 (0.0098) 0.016 (0.0063)
6 0.030 (0.0118) 0.018 (0.0071)

 

连接的剪应力

分开的连接数 连接的粗糙度
Ra >= 6.3 Ra <= 3.2
2 0.020 (0.0079) 0.013 (0.0051)
3 0.028 (0.0110) 0.016 (0.0063)
4 0.035 (0.0138) 0.020 (0.0079)
5 0.042 (0.0165) 0.025 (0.0098)
6 0.050 (0.0197) 0.030 (0.0118)
备注:如果你决定计算中不考虑“装配“德可能效果,推荐设计螺栓连接使用更高的预应力系数 [2.1],增加50%到80% 。

2.14 安装工作系数

外部轴向负载的输入位置不总是必须放置在螺栓和螺帽的下方支撑面上。相反地,轴向力常常存在于锁紧零件内部。作用力执行的因数给出了一个比率,作用力实际作用点距离和锁紧零件总高度的比值。考虑到可能的极限条件,比率范围[0...1]。这个比率将很明显地影响连接螺栓和锁紧零件间的作用力负载分配以及连接必需组装预应力的总数。

作用力执行因数-极限条件

同时,一些连接的作用力的作用点位置是十分明显的,这些位置比起其他连接更易感知同时其精确定义将会十分困难。实际中可以找到两个极限条件,可作为确定的方针。如果从连接的几何位置上看作用力的执行系数的定义不明显,预示n=0.5为过渡螺栓连接,n=0.75...0.25为柱头螺栓设计。

凸缘连接作用力执行系数的定义

 

根据VDI 2230下表给出了更为精确的作用力执行因数值:

b / L a / L 螺栓连接的类型设计
SV1 SV2 SV3 SV4 SV5 SV6
0.00 0.00 0.70 0.57 0.44 0.42 0.30 0.15
0.10 0.55 0.46 0.37 0.34 0.25 0.14
0.30 0.30 0.30 0.26 0.25 0.22 0.14
0.50 0.13 0.13 0.12 0.12 0.10 0.07
0.10 0.00 0.52 0.44 0.35 0.33 0.24 0.13
0.10 0.41 0.36 0.30 0.27 0.21 0.12
0.30 0.22 0.21 0.20 0.16 0.15 0.10
0.50 0.10 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06
0.20 0.00 0.34 0.30 0.26 0.23 0.19 0.11
0.10 0.28 0.25 0.23 0.19 0.17 0.11
0.30 0.16 0.16 0.15 0.12 0.12 0.09
0.50 0.07 0.07 0.07 0.06 0.06 0.06
0.30 0.00 0.16 0.16 0.16 0.14 0.14 0.10
0.10 0.14 0.14 0.14 0.13 0.13 0.10
0.30 0.12 0.12 0.12 0.10 0.10 0.08
0.50 0.04 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03

 

各个尺寸含义和设计类型定义在下面的图表中:

备注:作用力执行参数可以在计算中用两种方式描述。第一种方式输入作用力的执行系数[2.15];其二,输入准确的作用力点位置[2.16, 2.17]。定义的方式通过设置各自行中的开关设置。两种方式对于计算都是相同的,但是,第二中方法对于更多不同材料零件的连接给出更加准的结果。

2.19 螺纹设计

螺纹产品的计算方法明显地影响连接螺栓的疲劳强度。至于疲劳负载,切削螺纹给出最差结果。

推荐:如果你不知道螺纹的生产方法,选择切削螺纹。

2.20 上千次的循环连接的目标寿命

对于重复性负载的螺栓连接我们可以划分为两类疲劳负载。第一个区域为有限寿命连接(低于106工作循环)螺栓的疲劳强度随着工作循环数的增加而减少。在无限寿命区域(大于106工作循环)材料的疲劳极限以及螺栓连接的强度保持近似常量。

2.21 所需的连接可靠性

可靠性系数,理论上,是工作寿命的百分比值以及表现为连接无问题工作的概率。在机械工程领域,可靠性通常设置为80%到99.9%。高于99.9%仅适用于非常重要的设备,那些失效会导致人生安全或材料损失。对于常规螺栓连接承载动态负载,可靠性值通常选择95到99.5%之间。

可靠性

连接的重要性
< 90 % 非重要连接,其失效无明显后果
90 - 95 % 低重要连接,其失效导致无功能,但是,不是破坏
95 - 99.9 % 重要连接,其失效导致零件破坏和较高的材料损失
> 99.9% 非常重要的连接,其失效可能导致人生安全或高的材料损失

2.22 所需动态(疲劳)安全系数

必须检查动态负载下的螺栓疲劳强度。螺栓连接的可能性疲劳破环抵抗被视为结果动态安全系数。这个安全等级是由两个局部安全等级组成。其一为自身的“动态“安全,考虑到螺栓在变化的拉伸应力下的位置;另一安全等级是螺栓组装预应力而产生的永久剪切应力。

考虑到输入数据的精确度和可信性,连接的结构设计,负载特性和产品质量以及工作条件,通常选择动态安全范围1.5 ... 2.5。下表给出的安全值推荐用于无腐蚀环境在100°C工作条件下的连接。

安全

设计和连接参数
1.5 ... 1.7 - 连接的结构设计符合变化负载的连接理论

- 连接中非常精确的力条件和应力

- 完美的材料特性知识

- 准确参照科学流程

1.7 ... 2.0 - 无任何实验验证的低准确计算

- 在产品科技中低精度

2.0 ... 2.5 - 连接的不适合的结构设计,增加材料的疲劳破坏风险

- 外部力作用的实际出现的知识不足

- 大直径螺栓的使用

动态负载连接设计的结构法则在章节”螺栓连接失效原因,增加螺栓负载空间”中给出。

备注 1:对于连接额外弯曲应力出现(查看[2.7]),需要更高的安全数值 (2 ... 3)。
备注2 :充分的更高的安全数值适用于承载冲击,使用于腐蚀环境或高温下的连接。

连接部分设计、尺寸及材料. [3]

计算允许使用者设计一个由最多5个不同材料组成的预应力螺栓连接。本节用于连接零件材料选择和几何描述。

3.1 连接部分设计

在预应力螺栓连接中必须知道连接零件的硬度来定义力条件。计算硬度时,连接设计可以分为两个基本模型:

  1. 片连接
    锁定零件为片状大的横截面尺寸区域承载应力(近似削去端部的圆锥体)无边缘极限。硬度总数仅取决于材料和锁定零件的总高度。
  2. 后壁圆柱体连接
    连接零件没有大的横截面来制造“压力圆锥“而无任何边缘极限。承载应力的区域是锁定零件外壁的部分或全部的边界。

所有这些情况,确切简化,由虚拟的拥有足够外径的厚壁圆柱体替代。锁定零件的硬度总数除其它条件之外取决于,外径。

3.2 夹紧部分数量

在选择列表中设置锁紧零件数。在表格[3.5]中定义他们的尺寸。

3.4 夹紧部分总高度

锁定零件的总高度被视为螺栓头部到螺母的距离。如果连接中包含垫圈,必须计入垫圈的厚度到总的锁紧高度中。

3.5连接部分材料及高度

在表格中输入锁紧零件的高度和材料。连接零件从螺栓头部接连地安排在表格中。

表中各参数的含义:

Li 工件的高度 [mm, in]
E 弹性模量 [MPa, ksi]
a 热膨胀系数 [10-6/°C, 10-6/°F]
pA 许用压力 [MPa, ksi]
材料 从列表中选择合适的材料

表格前五行是使用者定义材料。适合材料的信息和设置可以在文件"工作表(计算)修改"中找到。

备注1:如果连接中包含垫圈,必须计入垫圈的厚度到总的锁紧高度中。
备注2 : 如果垫圈材料的弹性模量不同于锁定零件的材料同时其厚度大于总厚度的10%,推荐在计算中定义垫圈为一个独立的零件。

螺栓连接设计 [4]

本节可以用于为以上定义的设计选择螺栓材料,适合尺寸设计以及螺栓连接预应力负载。连接螺栓可以手动设计,或通过点击行[4.11]中按键使用自动设计功能。

备注:自动设计功能仅适用于标准螺纹(查看[4.9])

4.1 最小螺杆尺寸初步设计

表格中计算的螺纹最小直径取决于螺栓材料的各种组合以及螺纹类别。表中每一列是定义的螺栓材料,每一行是定义的螺纹。各个螺栓的强度等级依据“材料“标中定义的标准选择。螺纹类别的使用定义有如下含义:

MC 公制螺纹,粗糙的
MF 公制螺纹,良好
UNC 英制螺纹,粗糙的
UNF 英制螺纹,良好
UNEF 英制螺纹,精细的
备注:表格中定义的最小螺纹直径仅为导向值,设计考虑连接的最小安全,不考虑行[2.3,2.22]中定义的目标安全系数。

4.2 螺栓材料

连接螺栓材料可以在行[4.3]中的弹出列表中选择。表格“推荐螺纹直径“[4.1] 可以用于选择适合材料的导向。列表前五行用于使用者定义材料。设置适合材料的信息可以在文件"工作表(计算)修改"中找到。列表其他行包括依据“材料“工作表定义标准选择材料。

4.9 螺杆参数

本节用于连接螺栓螺纹尺寸和类别的选择。在列表[4.10]中选择螺纹类别。列表前五项用于标准螺纹。为选定的螺纹类别[4.11]选择螺纹目标中心尺寸。其他必需的螺纹尺寸[4.12 到4.15]根据标准自动计算。对于螺纹的适合尺寸设计你可以使用“设计”按键[4.11]来自动设计连接螺栓。

 

4.11 螺栓连接自动设计

自动设计可以通过点击“设计“按键[4.11]而进行。对于自动设计,对于选定材料[4.3]的螺栓最小尺寸,螺纹类别[4.11]选定,因此所需的连接功能已保证同时螺栓符合考虑强度要求[2.22]下的安全等级[2.3]的规格。软件提供一个设计仅为内部圆形接触面[4.24]恒定直径(查看[4.16])的棱柱形螺栓。另外,设计也会自动产出螺栓头部安装尺寸和连接螺栓安装孔的尺寸(查看[4.23])。如果软件搜索不到适合的螺栓,会跳出警告信息。

最常见的不合理设计原因和其解决方案:

备注:自动设计功能仅用于标准螺纹(查看[4.9])
警告:如果使用螺栓自动设计,根据以上提到的法则数据预设在章节[4.16,4.23]中。

4.16 螺栓几何尺寸设计

从技术和结构角度,使用特殊螺栓来代替几个拥有不同截面的通用棱柱形螺栓,有时候是适合的。例如,出于精度连接需求使用配合螺栓或使用缩短的杆来减小额外弯曲拉伸应力的影响。特殊处理的柔韧螺栓也会频繁用于承载动态负载的连接。

本节可以用于定义这些特殊螺栓。螺栓中不同横截面数输入在行[4.18]中,详细的截面长度和直径定义在行[4.21,4.22]中。各个截面从螺帽开始以递增的顺序排列。

 

4.23 连接的相关尺寸

本节可以用于设置螺栓头部(螺帽)安装表面的形状和尺寸以及定义连接螺栓孔德尺寸。当行[4.24]中的检查标记启动,所有必须尺寸根据下面的法则自动设置:

如果你想为以上提到的尺寸输入自己定义的尺寸,首先必须禁止行[4.24]中检查框。

4.24 螺栓头部(螺帽)安装面设计

对于螺栓连接,三种基本螺栓头部(螺帽)安装面基本设计被使用。

  1. 环形安装面。
    最常见和自然的接触。不同螺帽,安装面垂直于螺栓中轴。
  2. 圆锥形安装面。
    特殊螺栓连接适用于中心精确定位。需要特殊圆锥螺帽以及圆锥安装孔,加强更高的加工精度要求。
  3. 球形安装面
    殊连接使用于安装面垂直于螺栓中轴同时增强额外弯曲负载。需要特殊球形螺帽和球形安装孔。需要较高的加工科技。

备注:各个设计各不相同,最重要的是技术和使用区域。对于预应力螺栓连接设计,各种接触面设计对于计算本身无垂直度影响,仅在螺栓头部(螺帽)下部的摩擦力矩有所不同,增大锁紧力。

连接预应力,受力条件和工作图表. [5]

本节中你可以找到设计预应力螺栓连接的受力条件。连接硬度常量在第一章节[5.1]中首先被计算。一旦常量被计算出来,连接的必须组装预应力和相应的锁紧力矩在第二章节中设计[5.6]。全负载螺栓连接的受力条件在最后一章节[5.14]中被计算出。受力条件在章节的下部图表中显示。

5.1 连接的硬度常量。

硬度常量与连接中的轴向力和轴向力导致的各个零件的变形成线性关系。常量被视为预应力螺栓连接受力变形的导向数据。连接螺栓和锁紧零件之间的外部轴向力的划分定义取决于结果硬度的比率[5.4,5.5]。结果硬度定义使用硬度[4.1,5.2]取决于所选作用力[2.14]的执行因数。

5.12 连接组装预应力。

“正确“组装预应力的定义是预应力螺栓连接的主要任务之一。一个有效组装预应力值对连接的正确功能起决定性影响。同时,这也会影响到连接螺栓中的作用力,以及螺栓破坏的安全等级。组装预应力必须设计确保轴向负载下连接的紧密和牢固需求,连接零件表面负载下的剪切负载空间需求。

组装预应力可以手动设计或自动设计。自动设计可以通过启动输入区域右侧的检查框来执行。程序将提供符合以上提到的紧固需求或剪切负载空间的要求下的最小预应力设计。如果预应力系数[5.20]高于或等于目标数值[2.1],连接紧密的条件被履行。为了履行连接剪切负载空间条件,防止侧变形安全系数[5.21]必须大于或等于目标安全等级[2.2]。

连接的组装图表

在连接的锁紧(预应力)过程中,螺栓拉长的同时,锁紧零件被压缩。螺栓变形和锁定零件之间的比率由他们各自硬度比率给出。连接中的轴向作用力执行后,锁紧零件负载减小同时连接螺栓负载增加。出于强度负载检查的目的,必须定义螺栓中的最大内部轴向力。连接的组装图表用于此目的。

连接的组装图表为已知预应力和硬度值而编译。连接螺栓和锁定零件之间的外部轴向力划分由此图表定义。

 

含义:

F0 - 连接的组装预应力

Delta L1 - 由于组装预应力而产生的螺栓变形(拉伸)

Delta L2 - 由于组装预应力而产生的锁定零件的变形(压缩)

c1 = tg y1 t螺栓的硬度常量

c2 = tg y2 -锁定零件的硬度常量.

Fa - 最大作用轴向力负载

Delta F1 - 负载于螺栓的额外作用力的轴向零件

Delta F2 - 加载于锁定零件作用力的轴向零件

F1 - 螺栓中的最大内部轴向力

F2 - 连接的锁定零件的残余预应力.

给出的图表编译为假想外部轴向负载输入点为锁定长度的尾部,螺栓头部和螺母的安装表面。但是,实际轴向力通常作用在锁定零件的内部(查看作用力执行因数[2.14])。这将导致负载和连接缓冲零件之间的硬度比率改变,因而角度ψ1 ψ2变化。

5.20连接紧度(预应力)系数

系数给出连接锁定零件的残余预应力[5.18]和最大轴向作用力[5.7]之间的比率。详细信息可以在[2.1]中找到。

备注:连接紧密度系数对于仅承载径向力的连接无意义。

5.21 侧变形安全系数

此安全系数给出连接实际残余预应力[5.18]和最小锁紧力(理论计算值)[5.9]之间的比率详细信息可以在[2.2]中找到。

备注:这个安全系数对仅承载轴向力的连接无意义。

连接强度检查. [6]

本节给出螺栓连接基本强度检查的结果。

6.1 静态负载螺栓连接强度检查。

强度检查通过比较螺栓型心中的结果等效应力[6.5]和螺栓材料的屈服点[6.6]而实施。结果等效应力计算于螺栓最薄零件(棱柱螺栓,小直径螺纹在削弱的轴和柔韧的螺栓中)。

等效应力计算公式如下:

其中:

σ- 最大轴向力下螺栓型心的拉伸应力

σb - 额外折弯应力

t - 固定扭转力矩在螺栓型心中的扭力

 

如果设计的螺栓必须符合强度检查的所有需求,结果安全等级[6.7]必须大于或等于设计安全等级[2.3]。

6.8 螺栓头部在安装表面的应力检查。

如果设计螺栓连接必须符合检查的规格,安装表面的应力[6.9]则必须低于在边缘连接零件[6.10]中的允许应力。如果设计连接不符合这个规格,修改设计直到螺栓头部(螺母)安装表面加大。

6.11 动态负载螺栓连接强度检查。

承载变化负载的螺栓连接必须检查疲劳强度。疲劳破坏通常出现在螺栓应力集中的地方(装备切口的地方),最常见的是在第一个负载螺纹界面上。

连接螺栓的疲劳破坏抵抗考虑以动态安全结果系数[6.22]为基础。安全等级由两部分组成。第一个代表了在拉伸[6.20]中的自身“动态安全”,另一个代表了由于组装预应力而产生的恒定剪切力[6.21]对应的安全等级。部分疲劳安全[6.20]计算螺栓的位置考虑变化拉伸应力,以极限循环σA和工作循环σa的应力振幅零件之间的比率定义。

定义连接的动态安全流程和行[6.12 .. 6.19]的含义在下面的图解中:

承载重复或交替作用力的连接的工作图表:

含义:

F - 连接中最大轴向力负载

F0 - 预应力

F1 - 螺栓最大内部轴向力

F2 - 锁定零件的最小残余预应力

Fm -循环的中度轴向力

Fa - 循环轴向力的振幅

减小的Smith疲劳图表

含义:

Sy - t螺栓材料的屈服点

σf - 疲劳极限

σ0 - 连接预应力产生的螺纹内部应力

σA - 对于给定负载过程螺栓极限疲劳强度的振幅部分

σm - 螺纹内部工作循环的中度应力

σa - 在螺纹内部工作循环应力的振幅部分

同样的在动态负载连接中,设计螺栓必须符合最大轴向力[6.1]负载屈服点的“静态”检查需求。

警告:该强度检查不计入任何额外折弯应力效果(查看[2.7]).折弯会严重影响到螺栓的疲劳强度。因此,必须特别地在变化负载下地螺栓中通过使用适合的结构修改来尽量减小折弯应力的产生,或者在连接的动态安全计算中加入其计算。

6.16 给定螺栓材料的基本拉伸疲劳极限

理论地计算光滑圆棒,圆径选定材料螺栓的拉伸疲劳极限,该螺栓负载于交替的轴向负载。

6.17 给定螺栓的纠正的拉伸疲劳极限。

设计螺栓的拉伸疲劳极限。参考选择的螺纹设计[2.19],螺纹的类别和尺寸[4.9]以及需要的连接可靠性,基本疲劳极限[6.16]的修正值。

6.18 极限寿命拉伸疲劳强度极限。

对于连接的目标寿命下设计的螺栓的拉伸疲劳极限。[2.20] 对于无限寿命的要求是疲劳极限[6.17]。

图形输出及CAD系统

关于二维绘图及三维建模的相关信息请查看文档“图形输出及CAD系统”。

附录-计算:

为了绘制螺栓连接必须设置在此章节中一些没有在连接计算中定义的细节。

7.2 螺栓头部设计

在选择表中选择各个螺栓头部设计。软件提供四种基本螺栓头部设计。但是,参考常规的螺栓生产尺寸,由于一些螺纹直径不可能使用所有类别。选择的头部尺寸定义使用选择的螺纹的类别和直径[4.10,4.11]根据以下标准:ANSI B18.2.1, ANSI B18.3, ANSI B18.6.2, ANSI B18.6.3, ISO 1207, ISO 4016, ISO 4762。

备注:这个设定对于未在行[4.17]中设定的螺栓类别无意义。

7.3 螺帽设计。

在选择表中选择相应的螺帽设计。软件提供2个六边形螺帽设计。选择的螺帽尺寸定义使用选择的螺纹的类别和直径[4.10,4.11]根据以下标准:ANSI B18.2.2, ISO 4032, ISO 4035。

备注:这个设定对双头螺栓无意义(查看行[1.3,4.17]的设定)。

7.4 螺栓头部下的垫片数量。

在选择列表中,定义垫片数量。如果图面必须包括无垫片连接,选择“0”。垫片尺寸定义使用选择的螺纹的类别和直径[4.10,4.11]根据以下标准:ANSI B18.22.1, ISO 8738.

7.5 螺帽下的垫片数量。

在选择列表中,定义螺帽下的垫片数量。如果图面必须包括无垫片连接,选择“0”。垫片尺寸定义使用选择的螺纹的类别和直径[4.10,4.11]根据以下标准:ANSI B18.22.1, ISO 8738.

备注:此设定对双头螺栓无意义(查看行[1.3])

螺栓连接失效原因,增加螺栓负载空间.

最常见的螺栓连接失效原因和其修正

技术和结构修正来增加螺栓的负载空间

疲劳破坏出现在零件承载动态负载,通常在应力集中点(在装配凹槽处),虽然公称应力低于强度极限。统计显示评估的标准螺栓总数,65%在首个负载螺纹上破坏,20%螺纹运行破坏,15%在轴与螺栓头部接合处破坏。以上提到的疲劳破坏频率分布等级显示一些明显的点需要被计入动态负载连接设计重。

连接的结构修正:

连接的技术修正:

螺栓组计算.

螺栓连接常常不会单独出现,但是在组合重,它们提供额外力的组合转移。由于技术原因组合大多数包含的螺栓为相同直径,以矩形和圆形排列。这些组合连接的方案基于一个螺栓的最大负载而定,然后根据上面提高的流程设计一个独立螺栓连接。

这里也给出常用的几个基本螺栓组合方案流程(符号“n"在公式重表示连接重的螺栓数)

连接负载为垂直于接触面在连接重心而产生的力

额外力均匀分布在连接的各个螺栓上。

轴向负载落在一个螺栓上:

组合连接设计为独立的承载轴向力Fai的螺栓连接。

连接负载为通过连接重心而与接触面成一角度的力

额外力分解为垂直与接触面的 Fa和平行与接触面的Fr,连接螺栓均匀负载,因此:

落在一个螺栓上的轴向力:

一个螺栓上的径向力:

组合连接设计为一个独立螺栓连接综合轴向力Fai 和横向力 Fri

连接负载为方向与接触面成一角度,不通过连接重心的力

外力可分解为垂直于接触面的Fa和平行于接触面的 Fr,且作用于连接重心:

同时,也在重心处产生一力矩:

基本板左侧边缘处产生最小应力:

例如一个方形接触面”A",截面模量“W"定义如下:

其中:

a - 连接长度

b - 连接宽度

 

当设计一个连接的时候,同样必须定义作用在一个螺栓上的局部力。

螺栓上的轴向力来自力 Fa

来自力矩M的轴向力

来自力矩M的最大轴向力:

总轴向左右力

来自Fr的径向力

组合连接设计为一个独立的螺栓连接承载综合了轴向力 Famax和横向力 Fri。同时需要检查设计连接预应力[5.17]参考于最小必须预应力 F0min

连接负载为连接表面上通过重心的力。

额外力均匀分布在连接的所有螺栓中

落在一个螺栓上的径向力:

组合连接设计为一个独立的承载横向力 Fri的连接。

连接负载为连接表面上的力矩

如果圆形法兰承载扭转力矩,则各个螺栓将均匀承载径向力:

组合连接设计为一个承载横向力 Fri的独立螺栓连接。

连接负载为连接表面上通过重心的力和一力矩。

在连接重心的横向力均匀分布在所有螺栓上:

扭转力矩带来各个独立螺栓一个径向力

作用于螺栓上的合力为各分力的矢量和 Fri, FMi.组合连接进一步设计为承载最大横向力 Frmax的独立螺栓连接。

设置及语言选项

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工作簿修改 (计算)

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