C A M E O 楷模C A E 案例库 w w w .c a m e o .o r g .c n 2007年8月强 度 与 环 境Aug.2007 第34卷第4期 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.34, No.4 带预紧力受剪螺栓连接刚度分析 张永杰 孙秦 （西北工业大学航空学院，西安 710072） 摘要:为了很好的模拟带预紧力受剪螺栓的复杂应力状况，本文应用ANSYS 非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真，利用降温法模拟了螺栓的预紧力，给出了螺栓连接刚度计算公式，通过一系列不同厚度构件的螺栓连接刚度计算，得到了构件厚度与螺栓连接刚度间的关系曲线；为复杂结构中螺栓连接的简化计算提供了可靠参考依据。 关键词：ANSYS; 接触; 降温法; 螺栓连接刚度 中图分类号:TH122 文献标识码: A 文章编号:1006-3919(2007)04-0022-04 Sheared bolt joint stiffness analysis with pre-tightened force ZHANG Yong-jie SUN Qin (School of Aeronautics, NPU, Xi’an, 710072, China) Abstract ：Nonlinear contact arithmetic of ANSYS is applied for simulating complex stress of sheared bolt with pre-tightened force and emulating bolt joint well. By cool method, pre-tightened force of bolt is caused. In this paper, we present a computational formula of bolt joint stiffness, and obtain relative curve between bolt joint stiffness and thickness of components by varying thickness of components. Reliable references are provided for simplified computation of bolt connection from complex structure. Key words: ANSYS; contact; cool method; bolt joint stiffness 1 引言 对于复杂结构进行有限元分析时，常常遇到很多螺栓连接的情况，根据受力情况不同可分为受拉螺栓与受剪螺栓，本文主要讨论的是受剪螺栓的联接问题。受剪螺栓联接的外载荷主要靠螺栓杆的剪切及螺栓杆与被连接件的挤压来承受，联接件间只有较小的预紧力。但是在某些特殊结构的设计中，为了保证系统的密封性以及提高螺栓联接件孔边的疲劳寿命等方面需要，在受剪螺栓联接的设计中往往需要较大的预紧力。大预紧力的存在而引起的各部件间摩擦力的作用，使得结构的传力路线复杂化，应用理论解进行结构分析会产生较大的误差。因此应用有限元分析软件对结构进行数值模拟与分析已经成为一种有效的途径。 收稿日期：2006-10-10； 修回日期：2007-01-29 作者简介: 张永杰（1979-），男，博士，研究方向：飞行器设计；（710072）西安市西北工业大学120＃ A502教研室 .
螺栓组受力分析与计算 一．螺栓组联接的设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面的工作能力 5．校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置
3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。
螺栓连接 一、目的 螺栓连接的目的就是通过对螺栓施以一定的扭力矩，使螺栓拉伸变形，得到一个我们所需要的预紧力。也就是我们真正要得到的是一个能满足需要的预紧力，它才是被连接件无论在静止或是在工作状态下可靠、安全连接的保证。 二、预紧力的分散度 下面是M10螺栓拧紧扭矩为50Nm，装配时加油和未加油状态下测得的预紧力 上例可见，同一种螺栓相同的扭矩，装配工艺不同，所得到的预紧力相差很大。显然用扭力矩来间接控制预紧力是很不精确的，因为在这两者的关系中包含着一些变化很大且很难一一测定的因素。如：摩擦系数、螺纹表面及支撑面的光洁度、有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、温度变化等。 我厂质保实验室有一台螺纹力矩测量仪，它可以测算得到螺纹力矩、螺栓头部力矩和预紧力。从这台机器工作以来曾测得的无数数据
表明，正常情况下对螺栓施加一个扭力矩M后，约有45%消耗在螺栓头部与支撑面间，约有40%消耗在螺纹的摩擦中，只有约15%的力矩作用产生预紧力。 在螺栓的弹性变形范围内，同种螺栓相同的拧紧力矩尽管M=f(Po)近似直线，但由于前述各种因素的影响，每次拧紧的直线斜率不同，所得到的轴向预紧力大不相同，分散度可达±40%左右。（见图二） 因此，在弹性变形范围内选择使用螺栓连接时，考虑到预紧力的分散度，就必须选择相对直径较大的螺栓，这就不能做到材尽其用。 三、控制螺栓预紧力的必要性 在发动机制造行业内，在一些关键的螺栓连接中，预紧力的控制显得尤为重要。如： 1、连杆体盖连接； 2、缸盖、衬床、缸体连接； 3、主轴承盖连接； 4、飞轮、曲轴连接。 下面我们仅以连杆体盖螺栓连接为例说明控制预紧力的必要性。
螺纹连接受力分析 一、 螺纹强度校核 把螺母的一圈螺纹沿大径展开，螺杆的一圈螺纹沿小径展开，视为悬臂梁，如图。 相关参数： 轴向力F ，旋合螺纹圈数z （因为旋合的各圈螺纹牙受力不均，因而z 不宜大于10）； 螺纹牙底宽度b ，螺纹工作高度h ，每圈螺纹牙的平均受力为F z ，作用在中径上。 螺母——内螺纹，大径、中径、小径分别为D 、2D 、1D 。 螺杆——外螺纹，大径、中径、小径分别为d 、2d 、1d 。 1. 挤压强度 螺母一圈挤压面面积为2D h π，螺杆一圈挤压面积为2d h π。 螺母挤压强度2[]p p F F z A D h πσ= =≤σ 螺杆挤压强度2[]p p F F z A d h σσπ= =≤ p σ为挤压应力， []p σ 为许用挤压应力。 2. 剪切强度 螺母剪切面面积为Db π，螺杆剪切面面积1d b π。 螺母，剪切强度[]F F z A Db ττπ= =≤ 螺母的一圈沿大径展开 螺杆的一圈沿小径展开
螺杆，剪切强度1[]F F z A d b ττπ= =≤ []0.6[]τσ=，[]s n σσ= 为材料许用拉应力，s σ为材料屈服应力。 安全系数，一般取3～5。 3. 弯曲强度 危险截面螺纹牙根部，A -A 。 螺母，弯曲强度23[]b b M Fh W Db z σσπ= =≤ 螺杆，弯曲强度213[]b b M Fh W d b z σσπ= =≤ 其中，L ：弯曲力臂，螺母22D D L -= ，螺杆2 2 d d L -= M ：弯矩，螺母22D D F M F L z -=?= ?，螺杆2 2 d d F M F L z -=?=? W ：抗弯模量，螺母2 6 Db W π= ，螺杆2 16 d b W π= []b σ：螺纹牙的许用弯曲应力，对钢材，[]1~1.2[]b σσ= 4. 自锁性能 自锁条件v ψψ≤， 其中，螺旋升角22 arctan arctan S np d d ψππ==，螺距、导程、线数之间关系：S =np ； 当量摩擦角arctan arctan cos v v f f ψβ ==， 当量摩擦系数cos v f f β= f 为螺旋副的滑动摩擦系数，无量纲，定期润滑条件下，可取0.13～0.17； β为牙侧角，为牙型角α的一半，2βα= 5. 螺杆强度 1、 实心
螺栓扭矩预紧力对照表扭力螺丝刀, 扭力扳手 数显扭距测量仪等 螺栓标准扭矩及预紧力查询表（仅供参考） 内六角外六 角 螺栓 直径 DIN267性能等级(螺栓强度等级) 螺栓螺栓 3.6 5.6 6.9 8.8 10.9 12.9 S(m m) S(m m) M(m m) Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） 1.5 4 M2 255 0.1 345 0.15 710 0.3 835 0.35 1,170 0.5 1,415 0.6 2 5 M2.5 485 0.26 655 0.35 1,310 0.71 1,550 0.8 3 2,180 1.18 2,620 1. 4 2.2 5 5.5 M3 630 0.37 1,050 0.62 1,700 0.99 2,250 1.3 3,150 1.9 3,800 2.2 6 M3.5 850 0.5 7 1,400 0.95 2,250 1.5 3,000 2 4,250 2.9 5,100 3.4 3 7 M 4 1,100 0.8 5 1,850 1.4 2,900 2.3 3,900 3 5,750 4.4 6,700 5.1 4 8、9 M 5 1,800 1.7 3,000 2.8 4,800 4.5 6,400 5.9 9,400 8.7 11,000 10 5 10 M 6 2,550 2.9 4,200 4.8 6,750 7. 7 9,000 10 13,200 15 15,500 18 6 13、 14 M8 4,650 7 7,750 12 12,40 19 16,500 25 24,300 36 28,400 43 8 15、 17 M10 7,400 14 12,30 23 19,70 37 26,300 49 38,700 72 45,200 84 10 19、 21 M12 10,80 24 18,00 40 28,80 65 38,400 85 56,500 125 66,000 145 12 22、 23 M14 14,80 39 24,70 64 39,50 105 52,500 135 77,500 200 90,500 235 14 24、 26 M16 20,40 59 34,00 98 54,50 155 72,500 210 107,00 310 125,000 365 27 M18 24,80 81 41,30 135 66,00 215 91,000 300 129,00 430 152,000 500 17 30 M20 31,90 115 53,00 190 85,00 305 117,00 425 166,00 610 195,000 710 32 M22 39,90 155 66,50 260 106,0 00 415 146,00 580 208,00 820 244,000 960 19 36 M24 45,90 200 76,50 330 122,0 00 530 168,00 730 240,00 1,050 281,000 1,220 41 M27 80,50 295 100,0 00 490 161,0 00 780 222,00 1,100 316,00 1,550 369,000 1,800 22 46 M30 73,50395 122,0660 196,01,050 269,001,450 384,002,100 449,000 2,450
螺栓连接模拟（命令流）/PREP7 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!参数定义!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! hc=400 ! 柱截面高度 bc=200 ! 柱截面宽度 tcf=10 ! 柱翼缘厚度 tcw=8 ! 柱腹板厚度 lc=1100 ! 柱构件伸出长度 tep=20 ! 端板厚度 bep=bc+20 !端板宽度 HEP1= hc+200 !端板高度 tst=10 ! 端板外伸部分加劲肋厚度 hst=80 !端板外伸部分加劲肋高度 bst=bc/2-5 ! 端板外伸部分加劲肋高度 lbt=2*tep ! 螺栓杆长度 dbt=20 ! 螺栓杆直径或有效直径 dbth=31.4 ! 螺栓头和螺母直径 lbth=12.5 !螺栓头厚度 preten=155000 !螺栓施工预拉力 miu=.4 !端板间抗滑移系数
hb=400 ! 梁截面高度 bb=200 ! 梁截面宽度 tbf=8 ! 梁翼缘厚度 tbw=6 ! 梁腹板厚度 lb1=870 ! 梁构件伸出长度 lb2=200 ! 梁构件伸出的水平加载断长度 hb1=362 ! 梁最左端高度 dh0=dbt+2 !螺栓孔直径 randa=0.05 ! 梁的坡度 aa=50 !螺栓中心到梁翼缘边缘（非受力方向）的距离aa1=50 ! 螺栓中心到梁翼缘边缘（受力方向的距离ab=120 ! 一二排螺栓间距 displa=-50 ! 施加的位移荷载大小 !!!!!!!!!!! 建模开始!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!! 梁模型!!!!!!!!!! block,o,tep, -hep1/2,hep1/2,0,bep/2 block,-tep,0,-hep1/2-100+4*tcf,hep1/2,0,bep/2 k,20,tep,hb/2 k,21,tep,hb/2-tbf k,22,tep+lb1,hb/2-tbf+lb1*randa
螺栓组受力分析与计算 1．螺栓组联接的设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面的工作能力 5．校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置 3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性
要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。 图1 凸台与沉头座的应用 图2 斜面垫圈的应 用
高强度螺栓预紧力和拧紧力矩比较分析 在钢结构连接中经常使用高强度螺栓。高强度螺栓连接对于防止松动有良好的可靠性，尤其用于连接动载荷的构件。在高强度螺栓连接中，预紧力和拧紧力矩是一个很重要的参数。下面就高强度螺栓的预紧力及拧紧力矩进行探讨，以期得到合理的结果，在今后的设计中应用。 1 预紧力大小的确定 高强度螺栓预紧力的大小跟螺栓的材料及其横截面面积有关。所用材料需要经过调质处理以提高其机械性能，满足使用要求。国内高强度螺栓的材料一般为45钢、40B钢及40Cr钢。45钢用作级的螺栓，40B钢及40Cr 钢用作级的螺栓。 预紧力大小由下式计算： P=σ b F i （1-1） 式中σ b —高强度螺栓材料经热处理后的抗拉强度限， F i —螺栓的计算面积（按内螺纹直径计算），按下表取。 高强度螺栓的螺纹内径d 1和计算面积F i 螺栓公称直径M16 M18 M20 M22 M24 螺纹的内径(mm) 计算面积(mm2)149 182 235 292 2 拧紧力矩的计算 拧紧力矩是为了使螺栓产生预紧力，其大小由预紧力确定。 拧紧力矩由下式计算： M =（kg·m）（2-1）
式中 P —高强度螺栓需要的预紧力（t ）； d —高强度螺栓的公称直径（mm ）。 3 下面就国内外高强度螺栓，根据它们的材料的机械性能计算其预紧力和拧紧力矩，并进行比较和分析，从中找到适合我们应用的预紧力和拧紧力矩。 （1） 根据《机械设计手册》（机械工业出版社） 材料： 45钢，级；40B 钢，级 抗拉强度限：45钢，850kN/mm 2；40B 钢，1550kN/mm 2。 计算结果如下表所示。 预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N·m) （2） 根据《起重机设计手册》（辽宁人民出版社） 材料：45钢，级；40B 钢，级 抗拉强度限：45钢，850kN/mm 2；40B 钢，1550kN/mm 2。 计算结果如下： 预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N·m)
塔吊高强度螺栓的预紧力及重复使用分析 【摘要】钢结构工程的重要性已越来越被业内人士所认同，它关系到钢结构的使用寿命。本文就钢结构高强度螺栓的施工质量与扭矩系数、摩擦系数、长度的关系进行了说明。高强度螺栓在安装前需复检，以及安装工艺流程和储运、保管等三个方面作了阐述通过对塔式起重机（以下简称塔吊）塔身连接的高强度螺栓连接副的受力分析，得出预紧力的重要性，然后又介绍两种控制高强度螺栓预紧力的方法，得出高强度螺栓重复使用次数不得超过2次的原由。 关键词：高强度螺栓；预紧力；扭矩法；转角法 一、引言 目前，无论是大容量发电机组的炉架和主厂房，还是大型的塔吊、门吊等起重设备，或者是越来越多的大型厂房、桥梁等均采用钢结构，因钢结构以其施工周期短、使用寿命长、收益快等特点，在现代工业中占有较大一席之地，前景可观。钢结构要形成一个稳固的框架整体，用高强度螺栓进行连接是现在目前采用较多的连接形式。特别是现在大型燃煤电站锅炉，无论是200 MW 机组，还是1 000 MW 机组，都采用全钢架结构，来承载受热面。钢结构主要用高强度螺栓副进行连接，故高强度螺栓的施工质量就对钢结构受力、钢结构的设计寿命而言，就显得非常重要。下面主要就高强度螺栓在电站锅炉钢结构中的施工质量与各位同仁进行探讨。高强度螺栓连接方式由于其对于被连接件制作精度要求低，连接方便、成本低廉而广泛应用于中小型塔式起重机的塔身连接上。但由于施工安装人员缺乏对该种连接方式的认识，往往不按规定控制预紧力，而只将高强度螺栓如普通螺栓一般多次重复使用，高强度螺栓并未起高强度螺栓的真正作用。 二、高强度螺栓的发展、特点和分类 高强度螺栓连接是继铆接、焊接之后发展起来的一种新型钢结构连接形式。其特点是施工方便，可拆可换、传力均匀、接头刚性好，承载能力大，疲劳强度高，螺母不易松动，结构安全可靠。按连接形式可分为摩擦连接和承压连接；按种类可分为大六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓。大六角头高强度螺栓也可叫扭矩型高强度螺栓，特点是依靠施工扳手来控制螺栓、螺母的紧固扭矩；扭剪型高强度螺栓是在普通大六角头高强度螺栓的基础上发展起来的，螺头和铆钉相仿，特点是在丝扣端头设置了控制紧固扭矩的梅花卡头和环形切口。 国电九江三期发电厂2×350 MW 机组就是用的是大六角头高强度螺栓，是承压连接；
高强螺栓预紧力的计算方法 基本介绍 所谓螺栓预紧力，就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。对于一个不确定的螺栓而言，一个螺栓可使用的最大预紧力与螺栓材料品种、螺栓材料热处理、螺栓直径大小等都有关系。 假设螺栓在压力容器密封端盖上起到密封预紧的作用，并且这个端盖上有均布同规格的若干只螺栓，那么，这若干只螺栓所能承受的最小预紧力之和必须大于密封容器中工质最高压力所产生的反作用力，否则压力容器端盖与器体之间的密封就无法保障。 在工程领域中，测定螺栓预紧力通常有一些技术方法。对于精度要求高的螺栓预紧力的测量，往往采取螺栓弹性变形量大小来测量并计算出预紧力大小。对于中等要求的螺栓预紧力的测量，通常选用力矩扳手（力矩扳手的种类目前较多，在此不作具体介绍），按照规定的力矩大小拧紧螺母即可。对于一般要求的螺栓预紧力测量，用的最多的方法就是根据手力拧紧螺母，便从此时开始，按规定要求用扳手拧转螺母若干个角（一个角为60度）来估测预紧力是否已经达到。 预紧的目的 预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。 高强螺栓预紧力的计算方法 Mt=K×P0×d×10－3 N.m K:拧紧力系数 d：螺纹公称直径 P0：预紧力 P0=σ0×As As也可由下面表查出 As=π×ds2/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径 ds=（d2+d3）/2 d3= d1－H/6 H：螺纹牙的公称工作高度 σ0 =（0.5～0.7）σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 （与强度等级相关，材质决定） K值查表：(K值计算公式略) 摩擦表面状况 K值 有润滑无润滑
15—4 一牵曳钩用2个M10的普通螺钉固定于机体上，如图所示。已知接合面间的摩擦系数f=0.15，螺栓材料为Q235、强度级别为4.6级， 装配时控制预紧力，试求螺栓组连接允许的最大牵引力。 解题分析：本题是螺栓组受横向载荷作用的典型 例子．它是靠普通螺栓拧紧后在接合面间产生的摩擦 力来传递横向外载荷F R 。解题时，要先求出螺栓组所 受的预紧力，然后，以连接的接合面不滑移作为计算 准则，根据接合面的静力平衡条件反推出外载荷F R 。 题15—4图 解题要点： （1）求预紧力F ′： 由螺栓强度级别4.6级知σS =240MPa ，查教材表11—5（a ），取S=1.35，则许用拉应力： [σ]= σS /S =240/1.35 MPa=178 MPa ， 查（GB196—86）M10螺纹小径d 1=8.376mm 由教材式（11—13）： 1.3F ′/（πd 21/4）≤[σ] MPa 得： F ′=[σ]πd 21/（4×1.3）=178 ×π×8.3762 /5.2 N =7535 N （2） 求牵引力F R ： 由式（11—25）得F R =F ′fzm/K f =7535×0.15×2×1/1.2N=1883.8 N （取K f =1.2） 分析与思考： （1）常用螺纹按牙型分为哪几种？各有何特点？各适用于什么场合？连接螺纹用什么牙型？传动螺纹主要用哪些牙型？为什么？ 答：根据牙型，螺纹可以分为三角形、矩形、梯形、锯齿形等。选用时要根据螺纹连接的工作要求，主要从螺纹连接的效率和自锁条件两个方面考虑，结合各种螺纹的牙形特点。例如三角形螺纹，由于它的牙形角α较大，当量摩擦角υρ也较大（βρυυcos arctan arctan f f ==），分 析螺纹的效率() υρη+ψψ=tan tan 和自锁条件 Ψυρ≤，可知三角形螺纹效率较低，但自锁条件较好，因此用于连接。同理可知矩形、梯形和锯齿形螺纹等当量摩擦角υρ较小，效率较高，自锁条件较差，因此用于传动。 （2）从自锁和效率的角度比较不同线数螺纹的特点，为什么多线螺纹主要用于传动？螺纹线数一般控制在什么范围内？为什么？ 答：当螺纹副的当量摩擦系数一定时，螺纹线数越多，螺纹升角越大，效率越高，越不易自锁，
1螺栓的预紧力可按下式计算： P0—预紧力 P0＝σ0×As As＝π×ds^2/4 ds—螺纹部分危险剖面的计算直径 2ds＝（d2＋d3）/2 d3= d1－H/6 H—螺纹牙的公称工作高度 σ0 ＝（0.5～0.7）σs σs—螺栓材料的屈服极限kgf/mm^2 （与强度等级相关，材质决定） 2 也可查表： 螺栓性能等级的含义 2007年11月23日星期五 14:29 钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。螺栓性能等级标号有两部分数字组成，分别表示螺栓材料的公称抗拉强度值和屈强比值。例如，性能等级4.6级的螺栓，其含义是： 1、螺栓材质公称抗拉强度达400MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.6； 3、螺栓材质的公称屈服强度达400×0.6=240MPa级性能等级10.9级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到： 1、螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.9； 3、螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级 螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。 强度等级所谓8.8级和10.9级
是指螺栓的抗剪切应力等级为8.8GPa和10.9Gpa 8.8 公称抗拉强度800N/MM2 公称屈服强度640N/MM2 一般的螺栓是用"X.Y"表示强度的， X*100=此螺栓的抗拉强度， X*100*（Y/10）=此螺栓的屈服强度 （因为按标识规定：屈服强度/抗拉强度=Y/10）
螺栓预紧力在飞机结构连接中的作用 在飞机结构中一些重要螺栓连接需要规定相应的预紧力，文章通过理论分析得出了螺栓预紧力与夹层刚度比、拧紧力矩、连接面摩擦力等因素的关系，从而确定了螺栓预紧力对保证连接结构结合的密封，增加螺栓的疲劳寿命、提高承剪连接接头的疲劳等方面的重要作用，也对飞机结构螺栓连接预紧力确定与控制提供了分类计算方法。 标签：预紧力；拧紧力矩；疲劳；刚度比 飞机结构中螺栓连接使用非常广泛，一些重要螺栓的连接都规定了相应的拧紧力矩。这是因为拧紧力矩对螺栓所产生的预紧力在保证结构的结合及提高疲劳特性等功能中起着至关重要的作用。 1 螺栓预紧力在保证结构结合中的作用 保证结合的必要条件是结构件之间的结合不能分离。要使结合在工作载荷下不分离，螺栓连接需要的预紧力与连接所受的工作载荷及螺栓与被连接件的刚度有关。 当螺母拧紧时，螺栓受到拉伸，被连接的夹层受到挤压。随着螺母的不断拧紧，螺栓受到的拉力和夹层受到的压力越来越大。正常情况下，螺栓受到的拉力和夹层受到的压力数值是相等的。 但由于螺栓和夹层的刚度不同，当连接受到工作载荷W时，螺栓继续被拉长Δλb，夹层由于螺栓伸长而使压缩小Δλj。两者协调一致Δλb=Δλj。此时连接所受的工作载荷与螺栓所受的载荷是不同的。工作载荷不断增加，夹层的压缩不断缩小，当λj为零时，螺栓上所受的载荷P即为工作载荷W。此时预紧作用消失，结合分离。“结合分离”对应的工作载荷称为结合的分离载荷WF。当工作载荷大于WF时结合分离，无论从密封还是从疲劳的要求都是不允许的，因此我们必须知道分离载荷WF与预紧力P0的关系： 式（1）表示分离载荷WF大于预紧力P0，在预紧力一定时，刚度比越大，结合所能承受的分离载荷越大。下面具体分析在结合分离以前，螺栓受到的载荷P与工作载荷W之间的关系。 当工作载荷小于分离载荷时，螺栓载荷等于预紧力与部分工作载荷之和。对于某个具体的螺栓连接，螺栓刚度与夹层刚度比r是一定的，式（2）或式（3）表明P与W是线性关系，其变化率为r/（1+r）。 当工作载荷W等于分离载荷WF时，对应的螺栓载荷P=P0+W（r/1+r），此时分离点为（P0（1+r），P0（1+r））。式2两端除以P0，得：
产品: ABAQUS/Standard ABAQUS/CAE 概览 装配载荷： ?能用来模拟结构中的紧固载荷 ?施加在用户定义的预紧截面上 ?施加在与预紧截面相关的预紧节点上 ?需要预紧载荷的指定或紧固调整 装配载荷的概念 下图是一个简单的例子来解释装配载荷的概念。 图1 装配载荷示例 容器A是由螺栓预紧力压在盖子上来密封的，中间有一垫子，如图1所示。在standard中，预紧的模拟是通过在螺栓内添加一个“切割面”或预紧截面，并使其承受一拉伸载荷实现的。通过修改预紧截面一侧的单元， standard可以自动调整预紧截面上螺栓的长度，以获得想要的预紧力值。后续的分析步中可以防止螺栓长度的进一步改变，以使相对于装配件内的其他载荷，螺栓是作为标准的变形组件存在。 创建装配载荷 ABAQUS/Standard允许通过实体单元、杆单元或梁单元定义紧固件件的装配载荷。分析步中定义装配载荷不会随着单元类型的不同而显著不同。 1、使用实体单元创建预紧 在实体单元中，预紧截面是在螺栓内、将螺栓切割成两部分的一个面(见图2)。对于有几个不同片段组成的紧固件，预紧截面可以是一组面。
图2 使用连续单元定义的预紧截面 基于单元的面包括单元和表面信息。必须将该面转化成预紧截面以便预紧载荷能施加在该截面内的控制节点上。 输入文件：使用下列选项来创建基于实体单元的预紧截面： *SURFACE，TYPE=ELEMENT，NAME=面的名称 *PRE-TENSION SECTION，SURFACE=面的名称，NODE=节点编号 ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load。 1)对齐控制节点到预紧截面 装配载荷通过预紧截面上的预紧节点传递。预紧节点不属于模型中的任何单元。它只有一个自由度(自由度1)，该自由度表示切割面法向两侧的相对位移，见图3。该节点的坐标或位置并不重要。
接触 Hypermesh Step 1: Launch the ANSYS Contact Manager 1. Click the Contact Manager... button on the Utility Menu. The Ansys Contact Manager dialog is displayed at the top-left corner of the screen. At this point, you may want to adjust the size of the HyperMesh window. Step2: Create a new 3D contact 1. Click New.. to create a new contact. The Create New Contact Pair dialog is displayed. 2. Under Creation method choose Flexible. 3. Under Contact type choose 3D. 4. Under Create from choose Surface to surface. Step 3: Select the target body component 1. Click Pick Target… to choose the target body component. The HyperMesh target selection panel is shown.
2. Click the yellow comps button. 3. Select the component named anzhuangban 4. Click select and click proceed. The faces of the selected target body are extracted and displayed as shown below. Step 4: Select the target surface elements 1. In the Target Elements Selection dialog, click the yellow Elements button twice. Target Elements is selected.
螺栓预紧力标准 各单位： 近来发现许多维修人员在设备维修时，对设备连接螺栓扭力力矩要求不清楚，使用的扭力不规范，易造成维修缺陷及故障隐患，为加强设备连接螺栓的紧固规范，提高维修质量，现要求维修员工在维修中，螺栓的预紧力矩一律按以下力矩表严格执行。 特殊设备螺栓紧固要求及紧固力矩一；水泥磨辊压机锁紧盘螺栓紧固要求及紧固力矩：先用1/3的力矩，对角交叉均匀扭紧，再用1/2的力矩对角交叉均匀扭紧，然后用总力矩对角交叉均匀扭紧，最后用总扭力矩，按圆周顺序紧固一遍完成，（注：该螺栓的总力为1100N.m）。 二；生料辊压机锁紧盘螺栓紧固要求及紧固力矩：先用1/3的力矩，对角交叉均匀扭紧，再用1/2的力矩对角交叉均匀扭紧，然后用总的力矩对角交叉均匀扭紧，最后用总扭力矩，按圆周顺序紧固一遍完成，（注：该螺栓的总力为1640N.m）。 三：皮带输送机，提升机及其他辅机减速机锁紧盘螺栓紧固力矩表
紧固要求：先用1/2的扭力力矩对角交叉紧固，最后用总扭力按圆周顺序依次紧固。直到所有的力满为止。 四：斜拉链机连接螺栓更换及使用力矩：在更换齿片时，一定要同时更换相应的紧固件，而且必须使用扭力扳手，头部螺栓力矩为1080N.m ；尾部螺栓为630N.m。 五：钢丝胶带提升机夹板螺栓及料斗螺栓的紧固方式及力矩： 胶带夹板紧固力矩表 1：防松螺母紧固力100N.m。 2：在操作期间，紧固力矩可减少到200N.m，如果检查时发现低于200N.m，固定螺母应重新紧固到300N.m. 3紧固顺序： 第一行..........9 5 1 3 7 11 第二行.........10 6 2 4 8 12 注：提升机调试运行第一年内，必须在带载运行六个阶段12小时，72小时，2周，1个月，3个月，6个月，对带夹连接螺栓进行紧固。（力矩按照上表），并
强度等级 4.8 6.88.810.912.9螺栓预紧力对照表最小破断 强度 392 Mpa 588 Mpa 784 Mpa 941Mpa 1176 Mpa 材质一般构造用钢机械构造用碳钢铬铝合金钢镍铬铝合金钢镍铬合金钢螺栓对边mm 6～12扭距值N.m M611 612M813 8～1516～30M1017 18～3036～63M1219 30～4770～110M1422 6998137165225M1624 98137206247363M1827 137206284341480M2030 176296402569480M2232 225333539765911M2436 3144706869811176M2741 441637102914721764M3046 588882122519622352M3350 7351127147020602450M3655 9801470176424532940M3960 11761764215629433626M4265 15192352274438264606M4570 17642744313644155390M4875 22543430392055926664M5280 27444116470465738330M5685 352851495978843710290M6090 4018597877421079113230M6495 499874488820M68100 5684852610780M72105 6468980012642M76110 73501078014710M80115 81431225018130M85120 88201372022050105841617024500M90130 M100145 1372020090M110155 1636624990M120175 1989429890 M125180 注：1、上表为德国工业标准；表中扭矩值为螺栓达到屈服极限的70%时所测定
螺栓预紧力 ！ 螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。 . .目的 预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。 计算方法 预紧力矩Mt=K×P0×d×0.001 N.m K:拧紧力系数d：螺纹公称直径 P0：预紧力 P0=σ0×As As也可由下面表查出 As=π×ds×ds/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径
ds=（d2+d3）/2 d3= d1-H/6 H：螺纹牙的公称工作高度 σ0 =（0.5～0.7）σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 （与强度等级相关，材质决定） K值查表：(K值计算公式略) σs查表：
As查表：
法兰连接中螺栓预紧力及垫片密封性的研究对压力管道法兰连接中螺栓的受力、预紧力的计算方法进行了分析,研究了垫片的密封性能,包括基本密封特性、压力-回弹特性、垫片的厚度和宽度效应。得出了法兰连接时,连接点的泄漏与螺栓预紧力、密封面状态、使用工况、垫片等有关的结论。 螺栓预紧力检测 采用电阻应变计测量应力的方法，目前主要有测力螺栓和环形垫圈两种形式的测量方式，测力螺栓是直接替换现有螺栓，直接将螺栓预紧力测量出来的传感器，能准确的测量螺栓的预紧力的大小,可以精确到公斤。尤其更适合大型压力容器气密试验前的螺栓的预紧力的检测。
一． 螺栓螺栓组联组联组联接的接的接的设计设计设计 设计步骤： 1． 螺栓螺栓组结组结组结构构设计 2． 螺栓受力分析 3． 确定螺栓直定螺栓直径径 4． 校核螺栓校核螺栓组联组联组联接接合面的工作能力接接合面的工作能力 5． 校核螺栓所需的校核螺栓所需的预紧预紧预紧力是否合力是否合力是否合适适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 1. 螺栓螺栓螺栓组联组联组联接的接的接的结结构设计 设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受接合面受接合面受弯弯矩或矩或转转矩时螺栓的布置 螺栓的布置 3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。