题目： 成都石化设计院用于某容器上的带增强法兰的球封头，结构尺寸如图， 工作载荷为内压0.8Mpa,螺栓载荷为535574N,材料为 20R。请按照分析设计的要求分析该结构在上述工况下操作时的各类应力并进行强度校核。 带增强法兰的球封头 载荷分析 1. 用户数据 根据设计图，计算基础数据如下: 2. 结构参数 以下所有厚度均为有效厚度，长度单位：mm
中心接管参数 图1:带增强法兰的椭圆封头-中心接管参数示意图 封头参数 法兰参数
图3: 带增强法兰的椭圆封头-法兰参数示意图 外直径di 960 内直径d2 780 厚度t 66 螺栓数目 24 螺栓中心圆直径d3 915 螺栓孔直径d4 27 垫片内直径d5 800 垫片外直径d6 866 倒角内半径r1 40 倒角外半径r2 15 材料参数 部位 材料 弹性模量 (MPa) 泊松比 比重 (g/cm ) S m (MPa) t 接管 碳素钢锻件 20 190200 0.3 7.84 3 124.6 封头 碳素钢钢板 20R 194600 0.3 7.824 144.2 法兰 碳素钢钢板 20R 190200 0.3 7.84 114.6 载荷条件 内压(MPa) 0.8 螺栓力(N) 535574 二、结构分析 根据法兰结构特点，应进行带增强法兰的椭圆封头的应力分析, 建立力学模型如下： (1) 力学模型
根据带增强法兰的椭圆封头的结构特点和载荷特性，采用了三维力学模型。 图4:带增强法兰的椭圆封头网格图 (2) 边界条件 位移边界条件
节.口总0 0091000 Q00H?n o.ooMon 000(40)0 OCCrHJO O 0EEt44m fl OOa+DM 血伽 OCOeHnO QQQe^W enorHnn novtdoo ■3 00a4?M flOCtHHO OOO H WD QCXnflM OEUrtffiE OCfia^? OoOc^P OOXIJO OOQHOKi aflOrtujo OKftOOO OO^tOOO OIMb^W □ (Kr-KTO 0￡Xfe4QO O S0k*lflJD owxwo 0Kr*?C OQC^nKX B OWHODC QUlXlJO OOCc*{M0 DIHrtOOCi 00^*000 ojnrxin DDOr'HKEI □OC HT KI JO Offl>*aoO 图5:带增强法兰的椭圆封头X方向约束 OnOHOQO^H :-■: I —111 -厂-'I「P I? OOQr^nol □ OLf "J：D OD lr*JDO J OOTtafOOO^- □OOMKKI o込希io PQDZJQ DJO .f*JJO 磁砒 one*aoD OXrtWO otr* 曲io OOCmJjO 图6:带增强法兰的椭圆封头丫方向约束JdJ K U节貞血 ? OOte+COG 0GOHWB tl tJ>+€rt) dOOd-HNO OCCHOff) 力如姻 OCOtrHMO 0EDe4?D 皿 咄M OOQKXn UDOHWO 皿畑 QCQl^QQ OLUrtWO QOOa^nO 0 00*4000 CiCbrHMO QQDrKm OCOa-iOn OOfriMW
1 概述 螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。 传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。用有限元分析软件MSC.Patran/MSC.Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。 2 有限元模型的建立 对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。 多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent)，另外一个节点为主节点(Independent)。主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。比例因子选为1,使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。 梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam，其能承受拉伸、剪切、扭转。通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。 本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。 2.1 几何模型 如图1所示组合装配体，底部约束。两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定。端面受联合载荷作用。
标准法兰螺栓对照表文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
法兰、阀门及配螺栓标准 公称通径法兰厚度螺栓标准螺栓数量套数备注 DN15 14 M12X50 4X2 8 DN20 14 M12X50 4X2 8 DN25 14 M12X50 4X2 8 DN32 16 M16X60 4X2 8 DN40 16 M16X60 4X2 8 DN50 16 M16X60 4X2 8 DN65 18 M16X60 4X2 8 DN80 20 M16X70 8X2 16 DN100 20 M16X70 8X2 16 DN125 22 M16X80 8X2 16 DN150 24 M20X80 8X2 16 DN200 26 M20X80 12X2 24 DN250 30 M22X90 12X2 24 DN300 30 M22X90 12X2 24 DN350 34 M22X100 16X2 32 DN400 36 M27X110 16X2 32 DN450 40 M27X120 20X2 40 DN500 44 M30X130 20X2 40 注：对夹式蝶阀除外。如用双头螺，可根据螺栓规格的大小、长度应加长10—30mm。 法兰、阀门及配螺栓标准 公称通径法兰厚度螺栓标准螺栓数量套数备注 DN15 16 M12X50 4X2 8 DN20 16 M12X50 4X2 8 DN25 16 M12X50 4X2 8 DN32 18 M16X60 4X2 8 DN40 18 M16X60 4X2 8 DN50 20 M16X60 4X2 8 DN65 22 M16X70 8X2 16 DN80 22 M16X70 8X2 16 DN100 24 M20X80 8X2 16 DN125 28 M22X90 8X2 16 DN150 30 M22X90 8X2 16 DN200 34 M22X100 12X2 24 DN250 36 M27X110 12X2 24 DN300 40 M27X120 16X2 32
1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。其具有结构简单, 拆装方便,调整容易等优点, 被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。 传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节( 如应力集中、应力分布) 等等。通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。用有限元分析软件 MSC.Patran/MSC.Nastran 提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。 2 有限元模型的建立 对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。 多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent) ，另外一个节点为主节点(Independent) 。主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。比例因子选为1, 使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。 梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam其能承受拉伸、剪切、扭转。通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。 本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。 2.1 几何模型 如图 1 所示组合装配体，底部约束。两圆筒连接法兰通过8 颗螺栓固定。端面受联合载荷作用。
法兰螺栓： 法兰螺栓由六角头和法兰盘（六角下面的垫片和六角固定一体的）和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一体的螺栓，需与螺母配合，用于紧固连接两个通孔的零件。 1、六角头部类型：一种是平脑的，另一种是凹脑的。 2、表面颜色类别：根据不同需要，表面有镀白、军绿、彩黄、耐腐蚀的达克罗。 3、法兰盘类别：根据法兰螺栓的使用位置不同，盘的大小要求各不相同，另有平底和带齿之分，带齿的起防滑作用。 4、按连接的受力方式,有普通的和有铰制孔用的.铰制孔用的法兰螺栓要和孔的尺寸配合,用在受横向力时。 另外为了满足安装后锁紧的需要,有杆部有孔的,这些孔可以使螺栓受振动时不至松脱. 有的法兰螺栓没螺纹的光杆部位要做,叫细杆法兰螺栓.这种法兰螺栓有利于受变力的联结. 备注：市场上常用的国标号，GB5789(大头)、GB16674代替GB5787(小头) 法兰螺栓对照表: 1.6MPa法兰、阀门及配螺栓标准 公称通径法兰厚度螺栓标准螺栓数量套数备注 DN15 14 M12X50 4X2 8 DN20 14 M12X50 4X2 8
DN32 16 M16X60 4X2 8 DN40 16 M16X60 4X2 8 DN50 16 M16X60 4X2 8 DN65 18 M16X60 4X2 8 DN80 20 M16X70 8X2 16 DN100 20 M16X70 8X2 16 DN125 22 M16X80 8X2 16 DN150 24 M20X80 8X2 16 DN200 26 M20X80 12X2 24 DN250 30 M22X90 12X2 24 DN300 30 M22X90 12X2 24 DN350 34 M22X100 16X2 32 DN400 36 M27X110 16X2 32 DN450 40 M27X120 20X2 40 DN500 44 M30X130 20X2 40 注：对夹式蝶阀除外。如用双头螺，可根据螺栓规格的大小、10—30mm。 2.5MPa法兰、阀门及配螺栓标准 公称通径法兰厚度螺栓标准螺栓数量套数 DN15 16 M12X50 4X2 8 DN20 16 M12X50 4X2 8 DN25 16 M12X50 4X2 8 DN32 18 M16X60 4X2 8 DN40 18 M16X60 4X2 8
法兰螺栓对照表 现在很多项目需要计算螺栓扭矩。法兰的计算一般是按照Water法校核强度和刚度，那么螺栓的扭矩应该是多少呢？ 螺栓扭矩的计算公式一般有两种，一类根据螺纹来计算螺栓扭矩值，ASME PCC-1的附录J： 另一种是根据螺母系数k来计算扭矩： T=kWd/n 其中 k：螺栓螺母和螺母法兰面之间的总摩擦系数，有润滑的取0.075-0.15，无润滑的取0.15-0.25（不同参考资料取法略有不同） W: 螺栓预紧载荷 d：螺栓直径（一般用根径） n:螺栓数量
两种公式都需要计算螺栓载荷，常用的是螺母系数法。 公式中一般只有螺栓载荷W是未知的，W的取值准确与否，决定了螺栓扭矩的计算结果是否可信。 那么螺栓载荷W应该如何计算呢？ 按《法兰接头安装技术规定》 在《法兰接头安装技术规定》的报批稿中，对于法兰螺栓的最小安装载荷和最大安装载荷有比较详细的规定。 其中4.4.5条规定了最小螺栓安装应力，其公式经过分析，等价于GB150.3公式7-6的最小螺栓载荷Wp除以Rj Rj为螺栓安装载荷的松弛系数，大于或等于0.7。 对于最大螺栓安装载荷对于高强度螺栓，安装目标应力为350MPa。对于一般的法兰螺栓来说，是超过其螺栓许用应力的。比如35CrMoA在常温下的螺栓许用应力为228MPa。 这样一来出现一个问题：
一般的低压的法兰计算时，预紧工况的螺栓设计载荷W决定了Mo。 也就是说，如果按照最大螺栓安装载荷来计算法兰，那么法兰的强度很大概率是不够的。 规范允许减少最大螺栓安装载荷，使得法兰强度刚度合格。 此值就是GB150.3的公式7-,9，预紧状态下的螺栓设计载荷W。 对于设备法兰来说，可以根据计算书得到预紧状态下的螺栓设计载荷W。对于管法兰来说，由于不会单独计算，所以也无从得知螺栓设计载荷。所以规范根据压力等级给出了每种法兰的最大最小螺栓安装载荷表。
法兰有限元分析 1.下法兰计算 1.1 下法兰计算模型 下法兰卡紧方式是通过卡箍将产品法兰与加压端法兰卡紧。经过适当简化，建立如图1所示计算模型。 图1 下法兰计算模型简图 在产品法兰上端面施加全位移约束fix-all；在加压端法兰内表面施加压力F。 1.2 下法兰分析结果 在t 1100压力作用下，产品法兰，加压端法兰以及卡箍的应力分布情况分别如图2，图3，图4所示。 从下图可以看出产品法兰等效应力的最大值为MPa 423，位于Φ199通孔 6. 最薄弱处（如图上Max标示处）；最大主应力的最大值为MPa 456，位于Φ199 5. 通孔边的R100圆弧上（如图下左Max标示处）；最大剪应力为MPa 184，位于 8. Φ199通孔最薄弱处（如图下右Max标示处）。
图2 产品法兰应力分布图（MPa） 从图3上看，加压端法兰等效应力的最大值位于面上那6个黄点上，但那是由于接触引起的局部应力集中，不予考虑，实际等效应力最大值位置位于中心Φ50通孔上，最大值为MPa 452，同样位于 9. 4. 337，最大主应力的最大值为MPa Φ50通孔上（如图右Max标示处）。
图3 加压端法兰应力分布图（MPa ） 卡箍应力分布如图4所示。其等效应力的最大值位置如图左Max 标示处，最大值为MPa 4.278；最大主应力的最大值位置如图右Max 标示处，最大值为MPa 1.292。 图4 卡箍应力分布图 卡箍的变形用其位移量分布图来表示，卡箍Y 向与Z 向位移量分布如图5。由图看出卡箍在整个装配中向外位移了mm 901.2，自身向外拉伸了 mm mm mm 297.3)396.0(901.2=--。卡箍在整个装配中轴向位移了mm 048.3，卡 箍自身轴向拉伸了mm mm 651 .2)863.2(212.0=---。
法兰螺栓对照表 1、六角头部类型：一种是平脑的，另一种是凹脑的。 2、表面颜色类别：根据不同需要，表面有镀白、军绿、彩黄、耐腐蚀的达克罗。 3、法兰盘类别：根据法兰螺栓的使用位置不同，盘的大小要求各不相同，另有平底和带齿之分，带齿的起防滑作用。 4、按连接的受力方式,有普通的和有铰制孔用的.铰制孔用的法兰螺栓要和孔的尺寸配合,用在受横向力时。 另外为了满足安装后锁紧的需要,有杆部有孔的,这些孔可以使螺栓受振动时不至松脱. 有的法兰螺栓没螺纹的光杆部位要做,叫细杆法兰螺栓.这种法兰螺栓有利于受变力的联结. 备注：市场上常用的国标号，GB5789(大头)、GB16674代替GB5787(小头) 参考标准
GB16674 小系列 GB5789 加大法兰系列对应德标DIN EN 1665 IF III /ASME B18.2.1 美制系列 ASME B2.3.9 公制系列 DIN 6921 德国公制系列 SAE法兰主要应用于造船，液压机械，矿山机械等行业，来连接各个管路实现管路间液压油的流通 SAE法兰的详细信息SAE沉插法兰} JB/ZQ4462-97对焊钢法兰尺寸（PN=10Mpa） {sae法兰，SAE分体法兰，SAE对开法兰， SAE对焊法兰，SAE承插法兰，SAE沉插法兰} JB/ZQ4463-97对焊钢法兰尺寸（PN=15Mpa）{sae法兰，SAE分体法兰，SAE对开法兰，SAE对焊法兰，SAE承插法兰，SAE沉插法兰}
JB/ZQ4464-97对焊钢法兰尺寸=25Mpa）{sae法兰，SAE分体法兰，SAE对开法兰，SAE对焊法兰，SAE承插法兰，SAE沉插法兰} JB/ZQ4465-97对焊钢法兰尺寸（PN=31.5Mpa）{sae法兰，SAE 分体法兰，SAE对开法兰，SAE对焊法兰， SAE承插法兰，SAE沉插法兰} JB/ZQ4466-97对焊钢法兰尺寸（PN=40Mpa）{sae法兰，SAE分体法兰， SAE对开法兰，SAE对焊法兰，SAE承插法兰，SAE沉插法兰} JB/ZQ4483-97凸面钢制法兰盖PN=6.3Mpa）{sae法兰，SAE分体法兰，SAE对开法兰，SAE对焊法兰，SAE承插法兰，SAE沉插法兰} JB/ZQ4484-97凸面钢制法兰盖=10Mpa）{sae法兰，SAE分体法兰，SAE对开法兰，SAE对焊法兰， SAE承插法兰，SAE沉插法兰}
第39卷第1期建筑结构2009年1月 高强度螺栓连接的设计计算 蔡益燕 （中国建筑标准设计研究院，北京100044） 1高强度螺栓连接的应用 高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型。《钢结构 （G设计规范》B50017—2003）（简称钢规）指出目前制 造厂生产供应的高强度螺栓并无用于摩擦型和承压型连接之分”因高强度螺栓承压型连接的剪切变形比摩擦型的大，所以只适用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构”。因为承压型连接的承载力取决于钉杆剪断或同一受力方向的钢板被压坏，其承载力较之摩擦型要高出很多。最近有人提出，摩擦面滑移量不大，因螺栓孔隙仅为115?2mm,而且不可能都偏向一侧，可以用承压型连接的承载力代替摩擦型连接的，对结构构件定位影响不大，可以节省很多螺栓，这算一项技术创新。下面谈谈对于这个问题的认识。 在抗震设计中，一律采用摩擦型；第二阶，摩擦型连接成为承压型连接，要求连接的极限承载力大于构件的塑性承载力，其最终目标是保证房屋大震不倒。如果在设计内力下就按承压型连接设计，虽然螺栓用量省了，但是设计荷载下承载力已用尽。如果来地震,螺栓连接注定要破坏，房屋将不再成为整体，势必倒塌。虽然大部分地区的设防烈度很低，但地震的发生目前仍无法准确预报，低烈度区发生较高烈度地震的概率虽然不多，但不能排除。而且钢结构的尺寸是以mm计的，现代技术设备要求精度极高,超高层建筑的安装精度要求也很高，结构按弹性设计允许摩擦面滑移，简直不可思议，只有摩擦型连接才能准确地控制结构尺寸。总体说来，笔者对上述建议很难认同。2高强度螺栓连接设计的新进展 钢规的715节连接节点板的计算”中,提出了支撑和次梁端部高强度螺栓连接处板件受拉引起的剪切破坏形式（图1）,类似破坏形式也常见于节点板连接，是对传统连接计算只考虑螺栓杆抗剪和钉孔处板件承压破坏的重要补充。 1994年美国加州北岭地震和1995年日本兵库县南部地震，是两次地震烈度很高的强震,引起大量钢框架梁柱连接的破坏，受到国际钢结构界的广泛关注。
北京力学会第18届学术年会论文集：工程应用 螺栓连接薄板应力的有限元分析 王升涛张建宇 （北京航空航天大学航空科学与工程学院，100191） 摘要：用ANSYS 软件对带预紧力和装配应力的螺栓连接薄板应力分布进行有限元分析。针 对连接件不同约束条件，计算得到薄板受拉时预紧力对螺栓孔处等效应力的影响。 关键词：预紧力，接触，螺栓连接，有限元分析 一、 引言 带预紧力和装配应力的螺栓连接是飞机结构中的常见连接形式。预紧力的存在使被连接的构件之间存在摩擦力的作用，导致了构件之间力的相互作用变得复杂。本文应用有限元分析研究了螺栓孔附近应力的几种影响因素。 二、 有限元模型及计算结果 连接结构如图1，由两块较长的薄板搭接在一起，采用纵向排列的两个沉头螺栓联接。薄板材料为铝合金，弹性模量取为70GPa ，泊松比取为0.33，螺栓材料为合金钢，弹性模量取为200GPa ，泊松比取为0.3。 图1 螺栓连接结构 为了更精确地模拟螺栓连接的力学行为和应力分布，划分网格之后，在模型中创建了9个接触对。模型中装配应力的施加是通过在接触对上设定初始干涉来实现的，而预应力的施加是通过降低螺栓的温度实现的。假设连接件一端固支，另一端受均布拉力q 的作用，几何尺寸固定不变，并假定装配应力为某一固定值不变，分别对以下两种情况进行了有限元分析：(1)薄板上下表面自由。(2)薄板不能发生弯曲。 情况(1)的计算结果汇总在图3-图5中，情况(2)结果汇总在图6-图7中，其中F 为预紧力，max σ为最大von Mises 应力，q 为板端均布拉力，k 为max σ与q 的比值。图3、 图6表明薄板表面的约束情况不同，应力分布也会有所不同，但最大von Mises 应力都出现在带沉孔板的螺栓孔孔壁上。图4表明在情况(1)下，一定范围内的预紧力对螺栓孔处的最大von Mises 应力没有明显影响。图5表明情况(1)下，螺栓孔处的最大应力随拉力的增加线性增加。图7表明在情况(2)下，预紧力对螺栓孔处最大von Mises 应力有较大影响；不同拉力水平下，预紧力对最大von Mises 应力的影响趋势相同，具体体现为：预紧力较小时，最大von Mises 应力较大，随着预紧力的增加，最大von Mises 应力减小，预紧力继续增加，最大von Mises 应力增大。
1、六角头部类型：一种是平脑的，另一种是凹脑的。 2、表面颜色类别：根据不同需要，表面有镀白、军绿、彩黄、耐腐蚀的达克罗。 3、法兰盘类别：根据法兰螺栓的使用位置不同，盘的大小要求各不相同，另有平底和带齿之分，带齿的起防滑作用。 4、按连接的受力方式,有普通的和有铰制孔用的.铰制孔用的法兰螺栓要和孔的尺寸配合,用在受横向力时。 另外为了满足安装后锁紧的需要,有杆部有孔的,这些孔可以使螺栓受振动时不至松脱. 有的法兰螺栓没螺纹的光杆部位要做,叫细杆法兰螺栓.这种法兰螺栓有利于受变力的联结. 备注：市场上常用的国标号，GB5789(大头)、GB16674代替GB5787(小头) 参考标准 GB16674 小系列 GB5789 加大法兰系列对应德标DIN EN 1665
IF III /ASME B18.2.1 美制系列 ASME B2.3.9 公制系列 DIN 6921 德国公制系列 法兰螺栓对照表 法兰外径螺栓孔距螺栓直径螺栓孔数法兰厚度法兰外径螺栓孔距螺栓直径螺栓孔数法兰厚度 3/8 DN10 50 60 14 4 14 DN10 90 60 14 4 14 1/2 DN15 59 65 14 4 14 DN15 95 65 14 4 14 3/4 DN20 105 75 14 4 16 DN20 105 75 14 4 16 1 DN25 115 85 14 4 16 DN25 115 85 14 4 16 11/4 DN32 140 100 18 4 18 DN32 140 100 18 4 18 11/2 DN40 150 110 18 4 18 DN40 150 110 18 4 18 2 DN50 165 125 18 4 20 DN50 165 125 18 4 20 21/2 DN65 185 145 18 4 20 DN65 185 145 18 4 20 3 DN80 200 160 18 8 20 DN80 200 160 18 8 20 31/2 DN100 220 180 18 8 22 DN100 220 180 18 8 22 4 DN12 5 250 210 18 8 22 DN125 250 210 18 8 22 5 DN150 285 240 22 8 24 DN150 285 240 22 8 24 6 DN200 340 295 22 8 24 DN200 340 295 22 8 26 8 DN250 395 350 22 12 26 DN250 405 355 26 12 29
联接螺栓的强度计算方法
一．连接螺栓的选用及预紧力： 1、已知条件： 螺栓的s＝730MPa 螺栓的拧紧力矩T=49N.m 2、拧紧力矩： 为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩T2。装配时可用力矩扳手法控制力矩。 公式：T=T1+T2=K* F* d 拧紧扳手力矩T=49N.m 其中K为拧紧力矩系数， F为预紧力N d为螺纹公称直径mm 其中K为拧紧力矩系数， F为预紧力N d为螺纹公称直径mm 摩擦表面状态K值 有润滑无润滑 精加工表面0.1 0.12 一般工表面0.13-0.15 0.18-0.21 表面氧化0.2 0.24 镀锌0.18 0.22 粗加工表面- 0.26-0.3 取K＝0.28，则预紧力 F＝T/0.28*10*10-3＝17500N 3、承受预紧力螺栓的强度计算： 螺栓公称应力截面面积As（mm）=58mm2
外螺纹小径d1=8.38mm 外螺纹中径d2=9.03mm 计算直径d3＝8.16mm 螺纹原始三角形高度h=1.29mm 螺纹原始三角形根部厚度b=1.12mm 紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。 螺栓的最大拉伸应力σ1(MPa)。 1s F A σ==17500N/58*10-6m 2=302MPa 剪切应力： =0.51σ=151 MPa 根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力: =1.3*302=392.6 MPa 强度条件： =392.6≤730*0.8=584 预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s σ的80%。 () 203 1tan 2 16 v T d F T W d ?ρτπ += = 1.31ca σσ≈[] 02 11.34F ca d σσπ =≤
标准法兰螺栓对照表集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]
法兰、阀门及配螺栓标准 公称通径法兰厚度螺栓标准螺栓数量套数备注DN15 14 M12X50 4X2 8 DN20 14 M12X50 4X2 8 DN25 14 M12X50 4X2 8 DN32 16 M16X60 4X2 8 DN40 16 M16X60 4X2 8 DN50 16 M16X60 4X2 8 DN65 18 M16X60 4X2 8 DN80 20 M16X70 8X2 16 DN100 20 M16X70 8X2 16 DN125 22 M16X80 8X2 16 DN150 24 M20X80 8X2 16 DN200 26 M20X80 12X2 24 DN250 30 M22X90 12X2 24
DN300 30 M22X90 12X2 24 DN350 34 M22X100 16X2 32 DN400 36 M27X110 16X2 32 DN450 40 M27X120 20X2 40 DN500 44 M30X130 20X2 40 注：对夹式蝶阀除外。如用双头螺，可根据螺栓规格的大小、长度应加长10—30mm。 法兰、阀门及配螺栓标准 公称通径法兰厚度螺栓标准螺栓数量套数备注 DN15 16 M12X50 4X2 8 DN20 16 M12X50 4X2 8 DN25 16 M12X50 4X2 8 DN32 18 M16X60 4X2 8 DN40 18 M16X60 4X2 8 DN50 20 M16X60 4X2 8 DN65 22 M16X70 8X2 16
公称直径 管子法兰(毫米) 螺栓焊缝 外径壁厚外径 螺栓孔 中心圆 直径 连接凸 出部分 直径 连接凸 出部分 高度 厚度 螺栓孔 直径 重量数量规格 焊缝的 直角边 焊缝离 法兰面 距离 Dg dH S D D1 D2 f b d Kg n 直径×长度K H Pg=1公斤/厘米2 10 15 20 14 18 25 3 3 3 75 80 90 50 55 65 35 40 50 2 2 2 8 8 8 12 12 12 0.20 0.23 0.30 4 4 4 M10 × 30 M10 × 30 M10 × 30 3 3 3 4 4 4 25 32 40 32 38 45 3.5 3.5 3.5 100 120 130 75 90 100 60 70 80 2 2 3 8 8 8 12 14 14 0.37 0.53 0.58 4 4 4 M10 × 30 M12 × 30 M12 × 30 4 4 4 5 5 5 50 70 80 57 76 89 3.5 4 4 140 160 185 110 130 150 90 110 128 3 3 3 8 10 10 14 14 18 0.64 1.02 1.39 4 4 4 M12 × 30 M12 × 30 M16 × 40 4 5 5 5 6 6 100 125 150 108 133 159 4 4 4.5 205 235 260 170 200 225 148 178 202 3 3 3 10 10 12 18 18 18 1.57 1.98 2.62 4 8 8 M16 × 40 M16 × 40 M16 × 45 5 5 5 6 6 6 175 200 225 134 219 245 6 6 7 290 315 340 255 280 305 232 258 282 3 3 3 14 14 14 18 18 18 3.26 3.80 4.10 8 8 8 M16 × 50 M16 × 50 M16 × 50 6 7 8 7 8 9 250 300 350 273 325 377 8 8 9 370 435 485 335 395 445 312 365 415 3 4 4 14 16 16 18 23 23 4.65 6.83 7.64 12 12 12 M16 × 50 M20 × 55 M20 × 55 9 9 10 10 10 11 400 450 500 426 478 529 9 9 9 535 590 640 495 550 600 465 520 570 4 4 4 18 18 20 23 23 23 9.58 11.10 13.50 16 16 16 M20 × 60 M20 × 60 M20 × 60 10 10 10 11 11 11 600 700 800 631) 720 820 9 9 9 755 860 975 705 810 920 670 775 880 5 5 5 20 22 24 25 25 30 17.15 25.30 33.90 20 24 24 M22 × 65 M22 × 70 M27 × 80 10 10 10 11 11 11 900 1000 1200 920 1020 1220 9 9 10 1075 1175 1375 1020 1l20 1320 980 1080 1280 5 5 5 24 26 26 30 30 30 37.90 45.70 57.10 24 28 32 M27 × 80 M27 × 85 M27 × 85 10 10 11 11 11 12 1400 1600 1420 1620 11 12 1575 1785 1520 1730 1480 1690 5 5 28 28 30 30 73.20 88.00 36 40 M27 × 85 M27 × 85 12 13 13 14 Pg =2.5公斤/厘米2 10 15 20 “ 18 25 3 3 3 75 80 90 50 55 65 35 40 50 2 2 2 10 10 12 12 12 12 0.254 0.29 0.45 4 4 4 M10 × 35 M10 × 35 M10 × 40 3 3 3 4 4 4 25 32 32 38 3.5 3.5 100 120 75 90 60 70 2 2 12 12 12 14 0.553 0.795 4 4 M10 × 40 M12 × 40 4 4 5 5
第三章连接返回 §3-6 高强度螺栓连接的构造和计算 3.6.1高强度螺栓连接的工作性能和构造要求 一、高强度螺栓连接的工作性能 1、高强度螺栓的抗剪性能 由图3.5.2中可以看出，由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连板叠中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。通过1点后，连接产生了滑解，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。如果连接的承载力只用到1点，即为高强度螺栓摩擦型连接；如果连接的承载力用到4点，即为高强度螺栓承压型连接。 2、高强度螺栓的抗拉性能 高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡（图3.6.1a）。当对螺栓施加外拉力N t，则栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增量为ΔP，同时把压紧的板件拉松，使压力C减少ΔC（图3.6.1b）。 计算表明，当加于螺杆上的外拉力N t为预拉力P的80%时，螺杆内的拉力增加很少，因此可认为此时螺杆的预拉力基本不变。同时由实验得知，当外加拉力大于螺杆的预拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。但当外加拉力小于螺杆预拉力的80%时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍能保持一定的压紧力，可以假定整个板面始终处于紧密接触状态。但上述取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响。实际上这种杠杆作用存在于所有螺栓
的抗拉连接中。研究表明，当外拉力N t≤0.5P时，不出现撬力，如图3.6.2所示，撬力Q大约在N t达到0.5P时开始出现，起初增加缓慢，以后逐渐加快，到临近破坏时因螺栓开始屈服而又有所下降。 由于撬力Q的存在，外拉力的极限值由N u下降到N'u。因此，如果在设计中不计算撬力Q，应使N≤0.5P；或者增大T形连接件翼缘板的刚度。分析表明，当翼缘板的厚度t1不小于2倍螺栓直径时，螺栓中可完全不产生撬力。实际上很难满足这一条件，可采用图3.5.7所示的加劲肋代替。 在直接承受动力荷载的结构中，由于高强度螺栓连接受拉时的疲劳强度较低，每个高强度螺栓的外拉力不宜超过0.5P。当需考虑撬力影响时，外拉力还得降低。 二、高强度螺栓连接的构造要求 1、高强度螺栓预拉力的建立方法 为了保证通过摩擦力传递剪力，高强度螺栓的预拉力P的准确控制非常重要。针对不同类型的高强度螺栓，其预拉力的建立方法不尽相同。 （1）大六角头螺栓的预拉力控制方法有： ①力矩法一般采用指针式扭力（测力）扳手或预置式扭力（定力）扳手。目前用得多的是电动扭矩扳手。力矩法是通过控制拧紧力矩来实现控制预拉力。拧紧力矩可由试验确定，应使施工时控制的预拉力为设计预拉力的1.1倍。当采用电动扭矩搬手时，所需要的施工扭矩T f为：
第三章 连接 返回 §3-5 普通螺栓的构造和计算 3.5.1螺栓的排列和其他构造要求 一、螺栓的排列 螺栓在构件上排列应简单、统一、整齐而紧凑，通常分为并列和错列两种形式（图3.5.1）。并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面削弱较大。错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。 螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求： （1）受力要求：在受力方向螺栓的端距过小时，钢材有剪断或撕裂的可能。各排螺栓距和线距太小时，构件有沿折线或直线破坏的可能。对受压构件，当沿作用方向螺栓距过大时，被连板间易发生鼓曲和张口现象。 （2）构造要求：螺栓的中矩及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。 （3）施工要求：要保证一定的空间，便于转动螺栓板手拧紧螺帽。 根据上述要求，规定了螺栓（或铆钉）的最大、最小容许距离，见表3.5.1。螺栓沿型钢长度方向上排列的间距，除应满足表3.5.1的要求外，尚应满足附录10螺栓线距的要求。
二、螺栓的其他构造要求 螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求： （1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。但根据实践经验，对于组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓。 （2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。例如采用弹簧垫圈，或将螺帽或螺杆焊死等方法。 （3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。但在重要的连接中，例如：制动梁或吊车梁上翼缘与柱的连接，由于传递制动梁的水平支承反力，同时受到反复动力荷载作用，不得采用C级螺栓。柱间支撑与柱的连接，以及在柱间支撑处吊车梁下翼缘的连接，因承受着反复的水平制动力和卡轨力，应优先采用高强度螺栓。 （4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板），应适当加强其刚度（如加设加劲肋），以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。 3.5.2普通螺栓的受剪连接 普通螺栓连接按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力的共同作用。下面先介绍螺栓受剪时的工作性能和计算方法。 一、受剪连接的工作性能 抗剪连接是最常见的螺栓连接。如果以图3.5.2（a）所示的螺栓连接试件作抗剪试验，可得出试件上a、b两点之间的相对位移δ与作用力N的关系曲线（图3.5.2b）。该曲线给出了试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历了以下四个阶段： （1）摩擦传力的弹性阶段在施加荷载之初，荷载较小，荷载靠构件间接触面的摩擦力传递，螺栓杆与孔壁之间的间隙保持不变，连接工作处于弹性阶段，在N-δ图上呈现出0，1斜直线段。但由于板件间摩擦力的大小取决于拧紧螺帽时在螺杆中的初始拉力，一般说来，普通螺栓的初拉力很小，故此阶段很短。 （2）滑移阶段当荷载增大，连接中的剪力达到构件间摩擦力的最大值，板件间产生相对滑移，其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓与孔壁接触，相应于N-δ曲线上的1，2水平段。
关于钢结构螺栓连接节点的有限元分析方法探讨 摘要：随着我国钢结构建筑的兴起，针对钢结构分析的有限元模拟方法不断发展和完善，针对民用高层钢结构的有限元分析计算基本满足。然而对于复杂的结构形式尤其是重型钢结构中螺栓连接节点，寻常的分析方法及软件可能达不到精细有限元分析的要求或者分析出的结果并不符合力学常识。本文从钢结构螺栓连接节点的模拟方法、钢结构螺栓连接节点中螺栓的模拟方法及性能、钢结构螺栓连接节点的形式及性能等三方面研究探讨了国内外现有研究的优缺点，为后来者研究这类复杂结构提供帮助。 关键词：钢结构；有限元方法；螺栓连接节点；螺栓模拟 1.引言 改革开放以来，随着科学技术的发展，我国的钢结构建设逐渐兴起。尤其是沿海一带经济发达地区钢结构发展更是迅猛先后建成了上海金茂大厦（88层、高365米）、环球金融中心（95层、高460米）、深圳地王大厦（384米）等超高层建筑[1]。我国钢结构建设不仅在高层建筑中发展势头良好更是得到了工业建筑的“青睐”。钢结构凭借着轻质高强、结构高效、建筑美观等优点，使结构的适用性和美观性充分
的结合在一起，故而成为近几年工业建筑首选的结构模式[2]。随着钢结构设计的发展为了优化结构设计，减少结构建造成本，确保结构的安全稳定，在工业建筑钢结构尤其是重型钢结构中需对结构进行有限元仿真模拟分析。 从所周知有限元模拟分析在钢结构设计中运用广泛，但对于复杂的结构形式尤其是重型钢结构中螺栓连接节点，由于其连接位置内力较大，所需高强螺栓少则几十多则数百，而螺栓群连接处两块被连接的板件和螺栓自身的内力都十 分复杂。为揭示重型钢结构中螺栓连接节点的受力性能，通常需要对这种复杂连接进行精细的有限元数值模拟分析。由于模型本身及其约束条件的复杂化，寻常的分析方法及软件可能达不到精细有限元分析的要求或者分析出的结果并不 符合力学常识。 本文针对这种情况，从钢结构螺栓连接节点的模拟方法研究、钢结构螺栓连接节点中螺栓的模拟方法及性能研究、钢结构螺栓连接节点的形式及性能的研究，这三方面总结了国内外已做出的研究，希望对后来者研究这类复杂结构提供帮助。 2.螺栓连接节点的模拟方法研究及应用概况 实际工程中螺栓连接节点受力复杂，常常通过对节点所处位置、约束等限定进行定性的分析。即使如此，螺栓连接节点的受力依然很复杂。为了能够合理的模拟螺栓连接节点
6)法兰用螺栓尺寸对照表（DIMENSIONS OF FLANGE BOLTS） For Class150LB Flanges For Class300LB Flanges Size No. of Bolts Dia of Bolts Length of Bolt No.of Bolts Dia of Bolt Length of Bolt NPS ISO RF RJ ISO RF RJ 1/241/2M1460--41/2M146575 3/441/2M1465--45/8M167590 141/2M14658045/8M168090 11/441/2M14708545/8M168595 11/241/2M14708543/4M2090100 245/8M16859585/8M1690100 21/245/8M169010083/4M20100115 345/8M169010083/4M20110120 31/285/8M169010083/4M20110125 485/8M169010083/4M20110130 583/4M209511083/4M20120135 683/4M20100115123/4M20125140 883/4M20110120127/8M24140155 10127/8M24115130161M24155170 12127/8M241201351611/8M30170185 14121M271301502011/8M30175190 16161M271351502011/4M33190205 181611/8M301501602411/4M33195210 202011/8M301601702411/4M33205225 242011/4M331751852411/2M39230255 For Class400LB Flanges For Class600LB Flanges Size No.of Bolts Dia of Bolts Length of Bolt No.of Bolts Dia of Bolt Length of Bolt NPS ISO RF RJ ISO RF RJ 1/241/2M14757541/2M147575 3/445/8M16909045/8M169090 145/8M16959045/8M169090 11/445/8M161109545/8M169595 11/243/4M2011011043/4M20110110 285/8M1612011085/8M16110110 21/283/4M2012512083/4M20120120 383/4M2014013083/4M20125130 31/287/8M2414014087/8M24140140 487/8M2414514087/8M27145145 587/8M2415015081M27165165 6127/8M24150155121M27170175 8121M271701751211/8M30190195 101611/8M301901901611/4M33215215 121611/4M332052052011/4M33225225 142011/4M332102102013/8M36235235 162013/8M362202252011/2M39255255 182413/8M362302302015/8M42275275 202411/2M392452502415/8M42290295 242411/4M452702802417/8M48330335