机械连接结构中紧固件附近的力学性能
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１ 多 钉 连 接 结 构 建 模 与 分 析
应 力是 较 为复 杂 的 ， 既有 孔边 挤压 区又有拉 伸 区 ， 是最 容 易 发生应 力 集 中和 出 现危 险 的点 ， 所 以孔 边 附 近 网 格 划分 较 密集 。钉 孔 之 间接 触 设 置 为 摩 擦 接触 ， 摩擦 因数 为 ０ ． ２ ， 计 算 中考 虑 了钉 孔 的 公 差 配 合 对 载 荷 分 配 的影 响 ， 销钉 建模 时按 原 尺 寸 建 模 ， 不 考 虑过 盈 量 ， 在 Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ接触 设 置 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ￣ ａ ｃ ｅ Ｔｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ 选 项 中 设 置 间隙过 盈 量 。
关 键 词 ：钉 载 分 配 ；孔 边 应 力集 中 ； 紧 固件 ；力 学 性 能 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
在各 种 系统 及设 备 中 ， 不 可避 免 地 存 在 着 元 件 与 元件 、 元件 与 构件 之 间 的连接 ， 机 械紧 固连 接是 最为 常 用 的一种 连 接形 式 。通 常情 况 下 认 为 ， 尽 管 由于 各 钉 孔 之间距 离 足够 远 ， 使 得 它们 之 间几乎 没有 相互 作 用 ， 但 是仍 然不 能直 接应 用传 统 的弹 性力 学 。 因此 虽然 理 论 上 对孔 边 应 力集 中及 结 构 破 坏 问 题 进 行 了大 量 研 究［ 】 ］ ， 并 取得 了丰 富成 果 ， 但是 当应用 到工 程实 际 中 时， 仍 然有 必 要对 多个 问题 展 开 深 入 研 究 。首 先 是 钉 载分 配 问题 ， 即使 各钉 孔 连接 情况 完全 相 同 ， 它 们所 承 担 的载荷 仍 然可 以是 不 同 的 ， 其 相 互 之 间 的载 荷 比例 即 为钉 载分 配关 系 ； 然 后 是 各钉 孔 周 边 的应 力 集 中 问 题， 应力 集 中与 开裂 、 疲 劳等结 构破 坏有 着 直接 和密 切 的联 系 ， 对结 构 安全具 有 重大 影 响 ， 因而在 理论 与实 际 工作 中都 受 到 了广泛 重视 ， 相 关 问题 的研究 层 出不 穷 。 本 文 采用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 法对 单排 多钉 连 接 结构 的钉 载分 配关 系 、 孔边 应 力集 中 问题等 进行 了研 究 ， 分析 了 板 厚 等结 构 尺寸 、 连 接 工 艺 和材 料 性 能等 因素 对 它 的 影 响 。重 点 探讨 了钉 与孔 之 间的 公差 配合 对钉 载分 配 关 系 的影 响 ， 并对 结构 的优化设 计 进行 了研 究 ， 为工 程 实 践提 供 了理论 依据 。
钉 载 分 配 、孔 边 危 险 点 的应 力 情 况进 行 了分 析 ，研 究 了影 响 钉 载 分 配 关 系 与 孔 边 应 力 分 布 情 况 的 主 要 因 素 ， 包 括 板 厚 、材 料 性 能 、构 件 尺 寸 及连 接 工 艺 等 ，重 点 探 讨 了板 厚 、 材 料 刚度 对 孔 边 应 力 集 中 的 影 响 。
第 ５ 期（ 总第 １ ９ ２期 ）
２ ０ １ ５年 １ Ｏ月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭ ＡＴＩ ＯＮ
Ｎｏ ．５
０ｃ ｔ ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ — ０ ０ ４ ３ — ０ ３
收 稿 日期 ；２ ０ １ ４ 一 ｌ １ — ２ １ ；修 订 日期 ：２ ０ １ ５ － ０ ８ — １ ５
采 用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 方法对钉 载分配进行分 析 ， 板 的厚度及 材料强度对 载荷分配情 况的影响 如图 ２ 所示 。 从 图 ２可 以看 出 ， 随着板 ２材料 强度 的增加 ， 靠 近 受 载 端 的销 钉 受载 变 大 ， 更 容 易发 生 屈 服 断 裂 。 当板 ２材 料 强度 比板 １材 料 强度 小 时 ， 靠 近 受 载 端 的 销 钉 受 载 变小 ， 钉 载分配 趋 于均 匀 。当板 ２厚 度增加 时 ， 靠 近受 载端 的销 钉受 载 变 小 ， 靠 近 固 定 端销 钉 所 受 载 荷 有 明显增 大趋 势 ， 很 容 易 发 生 断 裂 危 险 。在 ／ ＝１ 的情 况下 ， 随着 材料 强度 比的变 化 ， 钉 １载荷分 配减 小 了１ １ ％， 钉３ 载 荷分 配增 加 了 １ １ 。表 １为 ＝ 时 弹性模 量 比对 各钉 载 荷 分 配 的影 响 （ 载荷 分 配 之 和 未 达到 １ 是 因 为板 与板 之间存 在摩 擦 ） 。 由表 １ 可知， 当弹性 模量 比 由 １ 增 加 到 ２时 ， 靠 近
机 械 连 接 结 构 中紧 固件 附近 的力 学性 能
秦 超
（ 扬 州 大 学 机 械 工程 学 院 ，江 苏 扬 州 ２ ２ ５ １ ７ ）
摘 要 ：在 经 典 弹 性 力 学和 弹 簧模 型 方 法 的基 础 之 上 ，采 用 Ａ ＮＳ ＹＳ三 维有 限 元 方 法 ， 对 单 排 多 钉 连 接 结 构 的
图 １ 多钉 连 接 结 构 模 型 的 几 何参 数
２ 有 限 元 分 析
２ ． １ 板厚、 材 料性 能 对钉 栽分 配的影 响
图１ 为 多钉 连 接 结 构 模 型 的 几 何 参 数 。其 中 ， ｗ 为上 、 下 两板 板 宽 ， Ｌ 、 Ｌ ｚ 为 两板 板 长且 Ｌ ＝ ＝ ＝ Ｌ ｚ ， 。 、 分别 为上 、 下 两板 板 厚 ， Ｍ 为两板同侧端部间距 ， ｅ为 板 端 部 附近 钉孔 到端 部 的距 离 ， ｓ 为相邻钉孔间距 ， Ｄ 为钉 孔直 径 ， Ｅ 、 Ｅ ：分 别 为 两 块 板 的 弹性 模 量 。设 定 边 界 条件 为 ： 板 １上表 面 与板 ２下 表面 Ｚ 向位 移 为 ０ ， 销钉 上 、 下表 面 Ｚ向位移 为 ０ ， 板 ２左 端 面 施 加 全 约 束， 板 ｌ右端 面加 载位 移 载荷 。 网格划 分 时 ， 孔周 边 的
应 力是 较 为复 杂 的 ， 既有 孔边 挤压 区又有拉 伸 区 ， 是最 容 易 发生应 力 集 中和 出 现危 险 的点 ， 所 以孔 边 附 近 网 格 划分 较 密集 。钉 孔 之 间接 触 设 置 为 摩 擦 接触 ， 摩擦 因数 为 ０ ． ２ ， 计 算 中考 虑 了钉 孔 的 公 差 配 合 对 载 荷 分 配 的影 响 ， 销钉 建模 时按 原 尺 寸 建 模 ， 不 考 虑过 盈 量 ， 在 Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ接触 设 置 Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ￣ ａ ｃ ｅ Ｔｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ 选 项 中 设 置 间隙过 盈 量 。
关 键 词 ：钉 载 分 配 ；孔 边 应 力集 中 ； 紧 固件 ；力 学 性 能 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
在各 种 系统 及设 备 中 ， 不 可避 免 地 存 在 着 元 件 与 元件 、 元件 与 构件 之 间 的连接 ， 机 械紧 固连 接是 最为 常 用 的一种 连 接形 式 。通 常情 况 下 认 为 ， 尽 管 由于 各 钉 孔 之间距 离 足够 远 ， 使 得 它们 之 间几乎 没有 相互 作 用 ， 但 是仍 然不 能直 接应 用传 统 的弹 性力 学 。 因此 虽然 理 论 上 对孔 边 应 力集 中及 结 构 破 坏 问 题 进 行 了大 量 研 究［ 】 ］ ， 并 取得 了丰 富成 果 ， 但是 当应用 到工 程实 际 中 时， 仍 然有 必 要对 多个 问题 展 开 深 入 研 究 。首 先 是 钉 载分 配 问题 ， 即使 各钉 孔 连接 情况 完全 相 同 ， 它 们所 承 担 的载荷 仍 然可 以是 不 同 的 ， 其 相 互 之 间 的载 荷 比例 即 为钉 载分 配关 系 ； 然 后 是 各钉 孔 周 边 的应 力 集 中 问 题， 应力 集 中与 开裂 、 疲 劳等结 构破 坏有 着 直接 和密 切 的联 系 ， 对结 构 安全具 有 重大 影 响 ， 因而在 理论 与实 际 工作 中都 受 到 了广泛 重视 ， 相 关 问题 的研究 层 出不 穷 。 本 文 采用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 法对 单排 多钉 连 接 结构 的钉 载分 配关 系 、 孔边 应 力集 中 问题等 进行 了研 究 ， 分析 了 板 厚 等结 构 尺寸 、 连 接 工 艺 和材 料 性 能等 因素 对 它 的 影 响 。重 点 探讨 了钉 与孔 之 间的 公差 配合 对钉 载分 配 关 系 的影 响 ， 并对 结构 的优化设 计 进行 了研 究 ， 为工 程 实 践提 供 了理论 依据 。
钉 载 分 配 、孔 边 危 险 点 的应 力 情 况进 行 了分 析 ，研 究 了影 响 钉 载 分 配 关 系 与 孔 边 应 力 分 布 情 况 的 主 要 因 素 ， 包 括 板 厚 、材 料 性 能 、构 件 尺 寸 及连 接 工 艺 等 ，重 点 探 讨 了板 厚 、 材 料 刚度 对 孔 边 应 力 集 中 的 影 响 。
第 ５ 期（ 总第 １ ９ ２期 ）
２ ０ １ ５年 １ Ｏ月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭ ＡＴＩ ＯＮ
Ｎｏ ．５
０ｃ ｔ ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ — ０ ０ ４ ３ — ０ ３
收 稿 日期 ；２ ０ １ ４ 一 ｌ １ — ２ １ ；修 订 日期 ：２ ０ １ ５ － ０ ８ — １ ５
采 用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 方法对钉 载分配进行分 析 ， 板 的厚度及 材料强度对 载荷分配情 况的影响 如图 ２ 所示 。 从 图 ２可 以看 出 ， 随着板 ２材料 强度 的增加 ， 靠 近 受 载 端 的销 钉 受载 变 大 ， 更 容 易发 生 屈 服 断 裂 。 当板 ２材 料 强度 比板 １材 料 强度 小 时 ， 靠 近 受 载 端 的 销 钉 受 载 变小 ， 钉 载分配 趋 于均 匀 。当板 ２厚 度增加 时 ， 靠 近受 载端 的销 钉受 载 变 小 ， 靠 近 固 定 端销 钉 所 受 载 荷 有 明显增 大趋 势 ， 很 容 易 发 生 断 裂 危 险 。在 ／ ＝１ 的情 况下 ， 随着 材料 强度 比的变 化 ， 钉 １载荷分 配减 小 了１ １ ％， 钉３ 载 荷分 配增 加 了 １ １ 。表 １为 ＝ 时 弹性模 量 比对 各钉 载 荷 分 配 的影 响 （ 载荷 分 配 之 和 未 达到 １ 是 因 为板 与板 之间存 在摩 擦 ） 。 由表 １ 可知， 当弹性 模量 比 由 １ 增 加 到 ２时 ， 靠 近
机 械 连 接 结 构 中紧 固件 附近 的力 学性 能
秦 超
（ 扬 州 大 学 机 械 工程 学 院 ，江 苏 扬 州 ２ ２ ５ １ ７ ）
摘 要 ：在 经 典 弹 性 力 学和 弹 簧模 型 方 法 的基 础 之 上 ，采 用 Ａ ＮＳ ＹＳ三 维有 限 元 方 法 ， 对 单 排 多 钉 连 接 结 构 的
图 １ 多钉 连 接 结 构 模 型 的 几 何参 数
２ 有 限 元 分 析
２ ． １ 板厚、 材 料性 能 对钉 栽分 配的影 响
图１ 为 多钉 连 接 结 构 模 型 的 几 何 参 数 。其 中 ， ｗ 为上 、 下 两板 板 宽 ， Ｌ 、 Ｌ ｚ 为 两板 板 长且 Ｌ ＝ ＝ ＝ Ｌ ｚ ， 。 、 分别 为上 、 下 两板 板 厚 ， Ｍ 为两板同侧端部间距 ， ｅ为 板 端 部 附近 钉孔 到端 部 的距 离 ， ｓ 为相邻钉孔间距 ， Ｄ 为钉 孔直 径 ， Ｅ 、 Ｅ ：分 别 为 两 块 板 的 弹性 模 量 。设 定 边 界 条件 为 ： 板 １上表 面 与板 ２下 表面 Ｚ 向位 移 为 ０ ， 销钉 上 、 下表 面 Ｚ向位移 为 ０ ， 板 ２左 端 面 施 加 全 约 束， 板 ｌ右端 面加 载位 移 载荷 。 网格划 分 时 ， 孔周 边 的
