螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择

马氏体不锈钢螺栓材料疲劳性能对比研究贾朋刚，张妍（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040）摘要：分析了马氏体不锈钢螺栓材料0Cr13Ni5Mo、0Cr16Ni5Mo和0Cr17Ni4Cu4Nb的疲劳性能和力学性能，提出了马氏体不锈钢螺栓替代合金钢螺栓的可行性，得到了升降法计算的疲劳极限与工程经验公式的差异。

结果表明,0Cr13Ni5Mo与0Cr16Ni5Mo的疲劳极限大于0.23（fl p0.2+5”）小于0.27（5冲+R”）,0Cr17Ni4Cu4Nb的小于0.23（5砂+5”）；0Cr13Ni5Mo强度低、塑韧性好,0Cr17Ni4Cu4Nb强度高、塑韧性差,0Cr16Ni5Mo表现出良好的综合性能。

关键词：马氏体不锈钢;螺栓;疲劳强度中图分类号：TM304文献标识码：A DOI编码：10.16712/ki.=31-1868/tm.2020.02.003o引言承受较大复杂载荷且对水电机组的安全运行起到关键作用的螺栓，所采用的材质多数为34CrNi3Mo、42CrMo、35CrMo等合金钢锻件，在水介质环境或者潮湿环境中长时间运行服役后，表面多数出现了一定程度的锈蚀问题，对检修时螺栓的拆卸安装造成了很大的麻烦，也给后续螺栓的寿命造成了严重的影响[1-2]o马氏体不锈钢材料在常规水介质或者潮湿环境中表现出了良好的耐腐蚀性，目前在水电机组的转轮、抗磨板、迷宫环等流速高腐蚀磨蚀情况比较易发的重要部位得到了广泛的应用。

但是马氏体不锈钢在水电机组的联轴螺栓、顶盖螺栓、桨叶连接螺栓等重要受力紧固件上的应用还尚未看到，其疲劳性能的对比研究还不清楚，目前还只是停留在常规的小型标准件上使用，例如在水箱连接件、水导密封件的连接紧固上宀5+。

因此，有必要研究马氏体不锈钢螺栓材料的疲劳特性，为后续马氏体不锈钢锻件材料在特殊螺栓连接场合替代低合金钢锻件材料的可行性提供有效论证，满足水电机组关键部套的螺栓连接的可靠性和安全性。

5.8级螺栓屈服强度-回复关于5.8级螺栓屈服强度的问题，我将为你详细解答。

首先，我们需要了解什么是螺栓的屈服强度。

螺栓是一种常用的紧固件，在建筑、机械制造等领域中起到连接和固定的作用。

螺栓屈服强度是指在一定条件下，螺栓所能承受的最大应力，也即是螺栓断裂前所能承受的最大拉力。

而5.8级螺栓则是按照国标GB/T3098.1-2010规定的螺纹连接技术条件、螺螺纹连接性能要求和验收规则生产的一种螺栓。

其中，5.8级表示螺栓的材质和性能等级。

数字5表示螺栓的抗拉强度等级，即螺栓在拉伸时所能承受的最大载荷；数字8表示螺栓的抗剪强度等级，即螺栓在剪切力作用下所能承受的最大载荷。

接下来，我们将逐步探讨5.8级螺栓屈服强度的相关内容。

第一步，了解5.8级螺栓的抗拉强度等级。

根据螺纹连接技术条件标准，5级螺栓的抗拉强度为500MPa，6级螺栓的抗拉强度为600MPa，以此类推。

因此，5.8级螺栓的抗拉强度为5级和8级抗拉强度之间的均值，即为550MPa。

第二步，了解5.8级螺栓的抗剪强度等级。

抗剪强度等级是指螺栓在受到剪切力作用下所能承受的最大载荷。

根据规定，5.8级螺栓的抗剪强度为其抗拉强度的60，即330MPa。

第三步，了解螺栓屈服强度的计算方法。

螺栓的屈服强度是指在受拉或受剪情况下，螺栓的材料开始发生塑性变形的应力大小。

根据材料力学原理，屈服强度可以通过螺栓的抗拉强度和抗剪强度来估算。

对于5.8级螺栓的计算，我们可以采用以下公式：屈服强度= 抗拉强度/ 安全系数根据设计的要求和安全系数的选择，一般常用的安全系数为4。

因此，对于5.8级螺栓，其屈服强度可以通过550MPa除以4，得到屈服强度为137.5MPa。

第四步，讨论应用和评估屈服强度。

在实际工程中，根据螺栓的使用场景和施工条件，需要评估螺栓的屈服强度是否满足设计要求。

评估螺栓屈服强度的方法一般有两种：1. 根据实验数据评估。

可以通过对螺栓进行拉伸实验，得到实际的屈服强度，然后与理论计算结果进行对比，判断是否满足要求。

106 风能 Wind Energy0 引言随着风力发电产业在国内的迅猛发展，风电用高强度螺栓逐渐显现出它的重要性。

近几年各地风电场出现不同程度的风电机组坠头甚至倒塌事故，造成了重大的财产损失，不仅对风电设备生产商、风电场业主造成影响，也更加影响到整个国产风电机组行业的质量信誉。

其中，由于螺栓预紧力不足，造成螺栓松动，机组运行振动过大，螺栓在长期高频振动下，剪切断裂，最终造成重大事故的比例较大。

究其原因，一是螺栓本身质量不过关，设计制造过程中出现问题；另外一个就是机组在安装及维护过程中螺栓预紧力不足，运行过程中螺栓松动造成的。

本文主要针对机械性能满足GB/T 3098.1的高强度螺栓的预紧力矩风电高强度螺栓扭矩系数选用的探讨张凌宝，赵鹏（锋电能源技术有限公司，北京 100080）摘 要：本文主要针对风电高强度螺栓扭矩系数的选用进行探讨，引用相关标准中的计算公式，比较各方法之间的不同之处，并根据图表解析扭矩系数与摩擦系数之间的关联，通过分析比较，针对现有经验提出缩小风电高强度螺栓扭矩系数范围，建议规范、完善相关标准。

关键词：高强度螺栓; 扭矩系数; 影响因素; 选用范围中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1674-9219(2013)03-0106-06Discussion on Selection of the Torque Coeff i cient of High-strength Boltsin Wind PowerZhang Lingbao, Zhao Peng(Sharpower Technology Co., Ltd., Beijing 100080,China)Abstract: Th is paper mainly discussed on selection of the torque coeffi cient of high strength bolts in wind power ， relevant formulas werereferenced and the diff erences in various methods were also compared. According to the analysis for the chart between torque coeffi cient and friction value ，this paper put forward that reducing the range of the torque coeffi cient of high strength bolts in wind power and proposed to improve relevant standards based on existing experience ．Keywords : high-strength bolts; torque coeffi cient; infl uencing factor; selection range进行详细分析，对螺栓扭矩系数的选用进行探讨。

螺栓预紧力施加方式对计算结果的影响螺栓预紧是一种常见的紧固方式，它可以有效地使结构件保持紧固状态，并保证结构件的安全性和稳定性。

在螺栓预紧中，预紧力的大小对于结构件的性能和可靠性具有很大的影响。

而预紧力大小的计算则会受到施加方式的影响。

螺栓预紧力的施加方式有很多种，经常使用的有扭矩法、伸长量法、弹性率法等，每一种施力方式的结果可能会不同。

下面将就三种施力方式对预紧力大小的计算结果对比进行说明。

首先，扭矩法是最常用的施力方式之一，其原理就是根据螺栓的拉伸强度将螺栓拉伸到一定程度，在这个过程中，扭矩与预紧力的关系是非常重要的。

但是，扭矩法的不同施力方式会产生很大的影响，因为不同的施力方式所使用的扭矩系数和螺纹的摩擦系数也是不同的。

例如在下雨的环境中，由于螺纹表面容易滑动，扭矩系数可能会比正常情况下大很多，这样就会使得预紧力的计算结果出现较大偏差。

其次，伸长量法在实际生产中也经常使用，它的原理是通过对螺栓松开和重新拉伸之后的长度变化量计算预紧力大小。

但是，这种方法也存在很大的不确定因素，因为在拉伸过程中，由于螺栓材料的非线性特性，螺栓的变形也会受到一定的限制，使得预紧力的计算变得困难。

因此，在使用伸长量法计算预紧力时，一定要根据实际情况进行修正并检验其合理性。

最后，弹性率法也是一种常用的施力方式。

它的原理是利用材料的弹性变形来计算预紧力。

在这种方法中，首先需要进行材料的试验，通过试验得到螺栓的弹性模量以及泊松比等参数，然后根据这些参数计算出螺栓的预紧力。

与扭矩法和伸长量法相比，弹性率法可以减少许多不确定性因素，因此，它在实际生产中被广泛采用。

综上所述，螺栓预紧力施加方式对预紧力计算结果的影响是非常显著的。

在实际应用中，必须根据具体情况进行选择合适的方法，并结合实际调试情况进行修正和检验，以减小误差并保证结构件的安全性和可靠性。

随着社会发展，数据已经成为了人们生活、工作、学习中不可或缺的一部分。

数据可以使人们更好地了解现实情况，更好地掌握决策，也可以帮助人们进行有效的分析和预测。

螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择在工程设计和结构分析中，螺栓是常用的连接元件。

由于螺栓在使用过程中会受到不断变化的载荷作用，容易产生疲劳损伤，导致螺栓断裂。

因此，对于螺栓的疲劳强度进行准确的计算和评估非常重要。

螺栓的疲劳强度计算方法可以分为经验公式法、应力幅法、应力范围法和有限元法等多个方法。

下面就这几种方法进行详细的对比分析。

1.经验公式法经验公式法是根据实验数据和经验公式进行计算，是最简单的计算方法之一、经验公式法计算的主要参数是螺栓的材料、直径和载荷等。

这种方法计算简便，但准确度一般较低，只适用于一些简单载荷情况和无特殊要求的结构。

2.应力幅法应力幅法是一种常用的计算方法，其基本原理是根据螺栓在载荷作用下的应力幅大小来评估螺栓的疲劳强度。

应力幅法计算的主要参数是螺栓的应力幅极限和应力集中系数等。

这种方法相对比较简单，适用于单轴载荷和小范围应力集中的情况。

3.应力范围法应力范围法是一种综合考虑应力幅和平均应力的计算方法，是最常用的螺栓疲劳强度计算方法之一、应力范围法计算的主要参数是螺栓的应力范围和应力集中系数等。

这种方法适用于多轴载荷和大范围应力集中的情况，精度相对较高。

4.有限元法有限元法是一种基于力学原理和数值计算的方法，可以精确地计算螺栓的应力分布和疲劳强度。

这种方法需要建立复杂的有限元模型，进行有限元分析计算。

与其他方法相比，有限元法计算精度更高，但计算量大，适用于复杂载荷和应力集中较严重的情况。

对于选择螺栓疲劳强度计算方法，需要根据具体的工程要求和实际情况进行综合考虑。

一般来说，对于简单的结构和载荷条件，可以采用经验公式法或应力幅法进行估计；对于复杂的结构和载荷条件，应优先考虑应力范围法或有限元法进行精确计算。

在实际工程中，也可以结合不同方法进行对比验证，以提高计算结果的准确性。

总之，螺栓疲劳强度的计算方法有多种选择，每种方法都有其适用的范围和优缺点。

在选择方法时需要充分考虑工程要求、计算精度和计算成本等因素，以得到准确可靠的计算结果。

车桥半轴螺栓预紧强度计算-统计对比（供设计参考）
-2020.02.14
本计算只是做简单的计算对比，实际计算时需要考虑紧固件的形式、紧固件的布置状态、是否有减载结构设计等因素。

对计算仅供参考。

本计算对EQ140系列、EQ145系列、EQ1094系列、EQ153系列、MT459系列进行了计算。

便于对比数据。

注：
1，此计算根据螺栓要求的工艺力矩范围，折算了螺栓的抗半轴扭矩与半轴扭矩的安全系数，和此扭矩时螺栓的预紧力与最大允许预紧力的比值（相当于安全系数）。

这两个数据便于设计或定工艺参数时，作为经验参考值。

2，上述计算的“允许最大预紧力”相当于手册中的螺栓保证载荷。

（也相当于螺栓的屈服状态对应的预紧力值。

）
3，螺栓最小截面直径也可以查询标准文件获得。

得到上述数据后，在以后新设计桥型时，可以参考此计算得到的经验安全系数。

计算表格如下：
统计计算-（半轴螺
栓）.xlsx
参考文件：
1，预紧力和预紧扭矩折算经验公式：
Mt=K∗P0∗d∗0.001 Mt为预紧扭矩Nm；
K为预紧扭矩系数；
P0为轴向预紧力N；
d为螺栓公称直径mm。

2，牙型的基本参数：
3，螺栓的预紧后的应力建议值：
4，参考摩擦系数：
5，螺栓拧紧力矩系数-参考推荐值（注：根据实验测定的螺栓K值才是最精确的）：。

螺栓疲劳寿命计算
螺栓疲劳寿命计算是工程设计中非常重要的一项内容，它涉及到了工程结构的
安全性和可靠性。

在工程实践中，螺栓是一种常用的连接元件，用于连接各种构件，承受着不同方向的载荷。

而螺栓在长期使用中，由于受到载荷的作用会产生疲劳破坏的现象，因此需要对螺栓的疲劳寿命进行计算。

螺栓的疲劳寿命计算是根据螺栓所承受的载荷大小、载荷频率、载荷形式等参
数进行综合计算得出的。

通常情况下，螺栓的疲劳寿命计算可以采用史密斯疲劳曲线和疲劳极限的概念进行计算。

疲劳曲线描述了材料在不同应力水平下的疲劳寿命，通过对疲劳曲线的分析可以得出螺栓的疲劳寿命。

在进行螺栓疲劳寿命计算时，首先需要确定螺栓所承受的载荷大小和载荷形式，然后根据载荷的频率和工作环境的条件来选择适当的疲劳曲线和疲劳极限。

接着，根据载荷的频率和疲劳曲线的参数计算出螺栓的疲劳寿命。

最后，根据计算得出的疲劳寿命，来评估螺栓的安全性和可靠性，从而确定螺栓的使用寿命和更换周期。

螺栓的疲劳寿命计算在工程设计和实际使用中具有重要的意义，它可以帮助工
程师评估螺栓的使用寿命和安全性，从而确保工程结构的可靠性和安全性。

通过合理的疲劳寿命计算，可以有效地延长螺栓的使用寿命，减少螺栓的疲劳破坏，提高工程结构的稳定性和可靠性。

总的来说，螺栓的疲劳寿命计算是工程设计中的一个重要环节，它需要根据螺
栓的使用条件和疲劳特性来进行合理的计算和评估，从而确保螺栓的安全可靠性。

通过科学的疲劳寿命计算，可以有效地提高工程结构的安全性和可靠性，保障工程的顺利运行和长期稳定性。

风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测赵荣博;张媛;李双荣【摘要】针对风力机塔筒法兰联接螺栓结构特殊、受力复杂、易于失效等特点,采用有限元法建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系,应用工程算法计算螺栓时序内应力;基于GL2010规范,选择塔筒法兰联接螺栓材料的S-N曲线;基于S-N曲线全寿命分析法计算整圈螺栓的疲劳强度并确定最危险部位;采用螺纹联接轴对称模型进一步准确计算危险部位螺栓的疲劳累积损伤,结果表明其疲劳寿命满足要求,提出的方法在预测塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命时具有可行性和有效性.%For the special structure,complex load and easy failure of flange connecting bolts,the re-lationship between outside load of tower cross section and inner stress of bolts by finite element meth-od is established,and the timing inner stress of bolt is calculated by Schmidt-Neuper algorithm.The S-N curve which is suitable for high strength bolts is selected based on GL2010 specification.Fatigue cu-mulative damage of whole-ring bolts is calculated by whole life analysis method based on S-N curve, and the most dangerous parts is determined.Further fatigue cumulative damage of the dangerous bolts is calculated by using threaded connection axisymmetric model.The results showed that the dangerous part of bolts meets the requirements of fatigue life,and proved that the feasibility and effectiveness of the proposed method.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(036)002【总页数】6页(P143-148)【关键词】法兰联接螺栓;疲劳寿命预测;有限元法;风力机塔筒【作者】赵荣博;张媛;李双荣【作者单位】内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古自治区产品质量检验研究院,呼和浩特 010070;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】TH12风电机组塔筒由多段构成,各段之间由沿法兰圈均匀分布螺栓联接。

螺栓的有效力矩-概述说明以及解释1.引言1.1 概述螺栓是一种常用的连接元件，广泛应用于各个领域的机械设备和结构中。

它的作用是通过连接两个或多个部件，使其固定在一起，从而实现机械装置的正常运行。

螺栓的有效力矩是衡量它在连接过程中承受的力的能力的重要参数。

本文将详细介绍螺栓的有效力矩以及如何计算这个重要参数。

首先将对螺栓的基本原理进行说明，包括螺栓的结构组成和工作原理。

然后，将介绍螺栓的有效力矩的计算方法，包括受力分析和力矩计算的具体步骤。

通过本文的阐述，读者将能够全面了解螺栓的有效力矩及其在工程设计和使用中的重要性。

本文的目的是为读者提供关于螺栓有效力矩的详细知识，帮助读者在实际工程应用中正确使用螺栓，并提高螺栓的连接性能。

通过深入了解螺栓的有效力矩，读者将能够更好地理解和应用螺栓连接技术，确保机械设备和结构的安全性和可靠性。

接下来的章节将分别介绍螺栓的基本原理和有效力矩的计算方法。

希望读者能够通过本文的阅读，对螺栓的有效力矩有一个清晰的认识，并能够将这些知识应用到实际工程中。

在结论部分，我们将对螺栓的有效力矩的重要性进行总结，并指出本文对螺栓设计和使用的一些启示。

希望本文对读者在工程实践中的决策和操作提供一定的帮助。

让我们一起深入了解螺栓的有效力矩，提升机械设备和结构的连接性能，共同推动工程技术的发展！文章结构部分的内容可以是以下内容之一：1.2 文章结构本文将从以下几个方面来探讨螺栓的有效力矩：第一部分，引言，将概述整篇文章的内容，并介绍螺栓的基本原理以及有效力矩的重要性。

第二部分，正文，将详细讲解螺栓的基本原理和计算方法。

首先，我们将介绍螺栓的结构和工作原理，以便读者对螺栓有一个基本的了解。

然后，我们将介绍螺栓的有效力矩的计算方法，包括静态情况下的计算和动态情况下的计算。

对于静态情况下的计算，我们将介绍杨氏模量和剪切模量的概念，以及如何根据应力和变形计算出螺栓的有效力矩。

对于动态情况下的计算，我们将介绍螺栓的动力分析方法，包括动力学原理和运动学原理，并给出相应的计算公式。

塔机标准节联接螺栓的静强度可靠性分析摘要：随着我国经济建设的快速发展，高层建筑越来越多。

而塔式起重机作为现代化施工中不可或缺的机械设备之一，其安全性能也日益受到人们的重视。

在塔机使用过程中，由于各种原因会造成标准节连接螺栓发生断裂失效事故，给国家和企业带来了巨大的损失。

因此对塔机标准节联接螺栓进行可靠性研究具有非常重要的现实意义。

本文以某型号塔机标准节联接螺栓为例，采用有限元方法建立三维模型并进行数值模拟计算，通过理论与实际相结合的方式来探究该螺栓的受力情况以及应力分布规律，进而得出该螺栓在不同工况下的最大等效应力值及其位置，最终确定螺栓是否满足设计要求及规范规定。

主要工作内容如下：首先介绍了国内外关于螺栓疲劳寿命、断裂力学方面的相关文献资料；然后利用ANSYS软件建立标准节联接螺栓的三维实体模型，将其导入到有限元软件中进行网格划分，设置边界条件和加载载荷，最后得到螺栓在不同工况下的应力云图。

结果表明，当螺栓承受拉伸载荷时，螺栓头部处产生较大应力集中现象，且最大等效应力出现在螺纹根部附近区域。

关键词：塔机；螺栓；可靠性；引言塔式起重机是建筑工地上常用的一种起重设备，其工作原理为通过起升钢丝绳将重物从地面提升到一定高度后再由小车或大车等装置运走。

在使用过程中，塔机受到多种载荷作用，其中以风载和地震载为主要影响因素。

因此，对于塔机结构而言，保证其安全性能至关重要。

而作为连接塔身与回转部分的标准节，则是整个塔机最薄弱的环节之一。

一.强度随机变量的统计数据在进行有限元计算之前，需要对所使用的材料和几何尺寸等参数进行说明。

本研究中选用了Q345钢作为塔式起重机标准节联接螺栓的材料，其屈服极限fy、抗拉极限fu以及断后伸长率A分别为235MPa、670MPa及2%；螺纹公称直径d=8mm，牙型半角α=2°，螺纹升角β=1/2齿数（i-1)，螺纹旋合长度l=29.5mm。

针对以上参数，我们采用《机械设计手册》中所提供的数据来生成样本点。

基于NASTRAN不同模拟方式的螺栓强度仿真分析闫鹏飞【摘要】随着有限元工具在国内的快速发展,各大汽车厂商已经广泛使用CAE手段进行汽车结构部件的开发验证.使用ANSA软件对汽车部件中最常用的螺栓连接方式进行模型建立,用Nastran软件进行计算,通过对比几种不同的螺栓连接模拟方式的计算结果,分析不同螺栓模型方法对计算结果的影响;进而将计算结果与试验结果进行对比分析,得到疲劳强度分析中精度较高的螺栓模型,为以后车型的开发提供数据支持.【期刊名称】《天津科技》【年(卷),期】2019(046)007【总页数】5页(P38-42)【关键词】螺栓强度;Washer;CBEAM;仿真分析【作者】闫鹏飞【作者单位】一汽丰田技术开发有限公司天津300462【正文语种】中文【中图分类】TH131.30 引言随着国内汽车工业百花齐放、迅速发展，在汽车研发过程中的 CAE也广泛使用，通过有限元手段来模拟汽车的结构部件进行前期验证，是一种行之有效的开发手段，能够节约成本、降低工时。

在汽车结构部件研发前期，连接部件的有限元模拟对于车辆疲劳强度的分析影响显得尤为重要[1]。

如今很多厂家都能够进行汽车结构部件的有限元仿真，但如何得到高精度的有限元模型是汽车结构研发的重中之重[2]。

汽车结构常用连接方式有焊接、螺栓连接、铆接等[3]，本文结合一汽丰田的某车型的螺栓连接搭载部件的研发过程，对有限元模拟中的几种不同螺栓模拟方式对仿真计算得到的应力结果进行对比，寻找其间的差异，并与应变片测量试验结果进行对比，进而得到疲劳强度分析中精度较高的螺栓模型，为车型的开发作不同的分析仿真提供相应的数据参考[4]。

1 有限元模型1.1 模型数据本文以丰田某款新能源汽车动力电池搭载研发过程中的某支架为例进行研究。

CAD模型如图 1所示。

模型中深灰色部件为截取的局部横梁，局部横梁的两端为约束位置。

该支架浅灰色圈部件共 6个连接螺栓及1个加载点。

船舶常用螺栓预紧力和拧紧力矩的确定苏东伟;王学志【摘要】基于轴向载荷典型螺栓的受力分析,综合考虑各种影响因素,推导螺栓预紧力和拧紧力矩的计算公式,结合生产实际,有针对性地选取各因素系数,得出简化公式,对比国标和其他设备公司标准,确定该简化公式可行,根据公式编制对应的预紧力和拧紧力矩表,以便设计时选用.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2019(048)002【总页数】5页(P127-130,134)【关键词】船舶;螺栓;预紧力;拧紧力矩【作者】苏东伟;王学志【作者单位】上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海外高桥造船有限公司,上海200137【正文语种】中文【中图分类】U662船厂设备安装最常见的就是受轴向载荷紧螺栓连接，各设备公司的预紧力标准一般也是基于轴向载荷紧螺栓连接。

螺栓预紧力过小，达不到连接的刚性和可靠性要求，浪费了紧固件的紧固能力，也易使连接松动；预紧力过大，则可能使紧固件超过其材料屈服强度而伸长甚至拧断，达不到紧固的目的[1]。

因此，考虑选取轴向载荷紧螺栓连接进行受力分析。

1 螺栓连接受力分析1.1 螺栓受力与变形分析螺栓受力与变形见图1[2]。

图1 螺栓受力与变形示意螺栓预紧装配后，被连接件表面会出现嵌入现象，尤其是变载荷作用下，嵌入变形会更明显，见图2，弹性伸长总量L1+L2减少量为λ，使预紧力Fm减少Fλ，螺栓副连接中的实际预紧力为Fv。

考虑在船厂实际装配过程中，需要控制预紧的一般为高强度螺栓紧联螺栓组，所对应的连接件多为钢质且配钢质或环氧垫片，刚度很大，嵌入变形不明显，故在受力过程中，忽略嵌入影响。

图2 连接件嵌入变形分析由图1可知tanθ1=Fm/L1=C1tanθ2=Fm/L2=C2式中：C1为螺栓刚度；C2为连接件刚度。

在螺母已拧紧，未承受工作载荷时，螺栓所受拉力和被连接件压缩力均为Fm。

当连接件承受工作载荷F时，螺栓的总拉力为F0，螺栓的总伸长量为L1+ΔL，被连接件的压缩力为被连接件的总压缩量为为L2-ΔL。

高强度螺栓疲劳寿命分析与设计改进李源;陈昌林;王世建;朱文吉;周俊鹏【摘要】借助有限元分析工具,对某燃汽轮机风扇座环连接螺栓应力及接触状态进行了分析研究,并计算出了螺栓的应力幅值.将ASME标准与应变方法的疲劳曲线进行了对比分析研究,确定选用ASME标准中的疲劳曲线进行螺栓疲劳寿命分析,并与现场运行统计数据进行对比分析,给出了一套有效的螺栓疲劳寿命预测方法.并在此基础上给出提高螺栓使用寿命的结构改进的方法.【期刊名称】《成都大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】5页(P407-411)【关键词】有限元方法;高强度螺栓;应力;疲劳【作者】李源;陈昌林;王世建;朱文吉;周俊鹏【作者单位】东方电气集团东方电机有限公司,四川德阳618000;西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;东方电气集团东方电机有限公司,四川德阳618000;东方电气集团东方电机有限公司,四川德阳618000;东方电气集团东方电机有限公司,四川德阳618000;东方电气集团东方电机有限公司,四川德阳618000【正文语种】中文【中图分类】TH131.30 引言螺栓连接作为一种重要的结构连接方式，已广泛应用于各类工程领域中.然而，在高预紧力载荷以及交变载荷作用下，高强度螺栓发生疲劳断裂的事故时有发生.针对高强度连接螺栓的疲劳寿命，科研人员做了大量的研究并取得了一系列成果[1-5].在此基础上，本研究以某型号燃汽轮机风扇座环连接螺栓为研究对象，借助有限元分析方法，对该螺栓的应力幅值及各连接部件的接触应力状态进行了分析和对比研究，并基于疲劳分析方法对初始以及改进的螺栓寿命进行了预估分析，从而确定螺栓疲劳的分析方法以及优化改进的方案.1 研究对象概况作为研究对象的某燃汽轮机风扇座环连接螺栓结构布置如图1所示，机组运行转速为3 000 r/min，在启停机次数大约800次之后，风扇座环连接螺栓发生断裂.断口分析认为，其螺栓破坏为低周疲劳断裂.从螺栓疲劳断口图(见图2)来看：区域A为裂纹萌生区域，该区域为螺纹的根部区域，参考ASME标准，该部位的应力集中系数不小于3.9，属于应力敏感区域，也是螺栓断裂的常见多发位置；区域B 为裂纹扩展区域；区域C为断裂失效区.2 应力分析2.1 有限元建模本研究基于有限元方法对该燃汽轮机风扇座环连接螺栓在启停机状态下的螺栓应力进行分析计算，通过对风扇座环连接螺栓模型的简化处理，获取单元网格模型如图3所示.其中，图3(a)为实体模型，图3(b)为网格模型，图3(c)为模型各部分的示意图.在图3(c)中有两处装配：转轴与风扇座环存在1.5 mm的装配过盈量；压圈与风扇座环存在0.5 mm的装配间隙.压圈与风扇座环的装配间隙主要作用是在螺栓预紧后，能够保证压圈与风叶压紧.图1 燃汽轮机风扇座环螺栓结构布置示意图A：裂纹萌生区；B：裂纹扩展区；C：断裂失效区图2 螺栓断口示意图图3 风扇座环螺栓模型示意图为了便于螺栓断面应力的描述，将螺栓应力的取值点采用图示方法(见图4).图中位置A是螺栓顶部位置，为远离旋转轴线侧，位置B是螺栓底部位置，为靠近旋转轴线侧.图4 螺栓断面应力取点说明图2.2 装配次序及运行工况根据风扇压环的实际装配次序以及运行的工况，本研究将计算工况分为3个阶段：第1阶段为热套，主要是将风扇座环与转轴进行热套装配；第2阶段为螺栓预紧，通过螺栓施加的预紧力，可将压圈与风叶进行紧密的配合；第3阶段为转子旋转至额定转速.3个计算工况的载荷如表1所示.表1 载荷工况表计算工况描述内容描述LC1热套工况风扇座环与转轴热套装配LC2预紧工况施加螺栓预紧力29 000 NLC3额定运行螺栓预紧力锁定之后,机组转速升至额定3 000 r/min各工况下结构的受力简图如图5所示.热套工况下，风扇座环与转轴由于装配预紧量的作用，将产生一定程度的相互挤压，从而在配合面产生接触压应力；螺栓预紧后，由于压圈与座环存在楔形间隙，预紧力F0产生附加弯矩M0作用于螺栓；额定运行时，作为外伸端的压圈，在离心力F1作用下将产生弯矩M1与预紧工况载荷综合作用于螺栓.图5 各工况下结构受力简图2.3 应力及接触状态分析2.3.1 螺栓应力及交变幅值规律.事实上，对螺栓疲劳寿命影响最大的是螺栓的应力交变幅值.从3个计算工况来看，产生螺栓应力幅值主要来源于LC2工况和工况LC3的转换过程.对此，可通过计算螺栓在一个停机工况LC2以及运行工况LC3切换下的应力分布规律，可以得到螺栓的交变应力幅值.通过对螺栓最大应力、应力幅值的分布位置研究发现：螺栓在预紧状态下，由于结构刚度的不对称，在同一断面上，靠近旋转中心和远离旋转中心的螺栓上、下两侧的应力不相等.图6给出了螺栓断面应力的取值位置：位置A是螺栓底部位置，为螺栓断面靠近旋转轴线的一侧；位置B是螺栓顶部位置，为螺栓断面远离旋转轴线的一侧.图6 螺栓断面应力取值位置示意图针对该燃汽轮机风扇座环连接螺栓的初始设计方案，计算了螺栓在LC2、LC3工况下关键位置点的应力，具体如表2、图7所示.表2 螺栓最大主应力计算结果(MPa)计算工况描述螺栓整体位置A位置BLC2预紧工况446.789423.33389.5LC3额定运行499.891112.253421.767(a)螺栓预紧之后(LC2)(b)额定转速下(LC3)图7 螺栓的应力水平图计算发现，在进行LC2、LC3工况切换时，螺栓重点断面的应力变化规律为：螺栓位置A的应力水平由423.333 MPa减小至112.253 MPa，应力幅值ΔS为311.08 MPa；螺栓位置B的应力水平由89.5 MPa增大至421.767 MPa，应力幅值ΔS为332.17 MPa.出现上述的应力变化规律原因是由于压圈与座环存在0.5 mm的初始间隙，当螺栓预紧后，螺栓存在初始的向下弯曲，而当机组起动到额定转速时，压圈的离心力使螺栓产生向上的弯矩，从而使得螺栓的顶部与底部的应力呈现周期的交变规律. 2.3.2 关键接触面接触状态变化规律研究.不同工况下，风扇座环与转轴的接触应力如表3与图8所示.表3 不同工况下风扇座环与转轴的接触应力计算工况描述接触压力/MPaLC1热套工况145.274LC2预紧工况145.554LC3额定运行111.178(a)热套工况(LC1)(b)预紧工况(LC2)(c) 额定运行工况(LC3)图8 风扇座环与转轴的接触应力图计算结果表明，初始安装热套状态下，接触压力高达145.274 MPa，安装螺栓后，接触状态变化不大，接触压力有略微的增加，达到145.554 MPa，在额定运行工况时，由于离心力的作用，风扇座环与转轴将发生分离，这必然会引起接触应力的降低.而在螺栓孔的位置，由于结构开孔使得刚度较实心位置减弱，同时压圈的离心力传递到风扇座环上时将产生剪力与弯矩的合成效果，从而使得压圈侧的径向变形较大，也会引起压圈的接触应力降低.此外，对比图8(b)、(c)接触压力的状态可知，接触压应力降低了34.376 MPa.接触状态由原来的粘接状态过渡到分离和滑移状态.通过接触状态的比较研究，可以进一步确定螺栓处于交变应力状态下.3 螺栓疲劳S-N曲线与疲劳寿命计算计算结果表明，该风扇座环连接螺栓的疲劳可定性为低周疲劳.目前，在进行零部件低周疲劳分析时，常用的是基于应变的疲劳分析方法.同时，螺栓为高预紧力的受力状态，在采用应变方法进行计算分析时，需计入平均应力修正的影响.3.1 螺栓疲劳S-N曲线3.1.1 ASME标准螺栓疲劳S-N曲线.针对高强度螺栓的疲劳分析，ASME规范中规定了相关的S-N参数.在ASME标准中，基于光轴试件的疲劳曲线设计是基于多项式函数的方式给定，涉及低合金碳素钢、镍铬合金钢、铜镍合金、镍铬钼合金钢以及高强度螺栓等材料，其计算公式为，N=10X(1)(2)(3)式中，Sa指应力幅值，N为设计的循环次数.式中Ci数值均可从标准中查得.3.1.2 基于应变疲劳的S-N曲线.基于应变疲劳的S-N曲线计算公式为，(4)式中，Δε/2=εu为全应变幅值，Δεe/2=Δσ/2E=σa/E为弹性应变幅值，Δεp/2=Δε/2-Δεe/2为弹性应变幅值，为疲劳持久系数，c为疲劳持久指数，为疲劳强度系数，b为疲劳强度因子，E为弹性模量，Δσ/2=σa为应力幅值.文献[6]对于上述公式给出了近似的方法，(5)式中，Δε/2=εu全应变幅值，εf=ln(A0/Af)=ln[100/(100-%RA)]，真实的断裂应变或延展性，%RA=100(A0/Af)/A0)，断面收缩率百分比，Su=Pmax/A0极限拉伸强度.应变疲劳中的平均应力修正为，(6)3.1.3 两种方法的疲劳S-N曲线对比.通过查找相关计算参数，可以计算出ASME标准中的S-N曲线数据，以及采用应变疲劳理论得到的S-N数据，具体如图9所示.图9 两种方法得到的螺栓S-N对比曲线通过对两种方法疲劳S-N曲线进行比较可以发现，ASME规范中给出的S-N数据与应变疲劳得到的数据较为一致.3.2 疲劳寿命计算基于上述的有限元应力计算为基础，通过工况的组合计算，确定疲劳分析所需的应力幅值，再借助疲劳分析计算流程，可对螺栓危险断面的允许循环次数进行计算.计算结果表明：螺栓位置A的最小疲劳寿命为1 062次启停机次数；位置B可承受1 204次启停机运行次数.螺栓断面的应力水平以及疲劳计算结果如表4所示. 表4 螺栓重点断面应力以及寿命计算名称位置A 位置B平均应力/MPa267.793 255.6335应力幅值/MPa155.54 166.1335应力集中系数4 4应力幅值/MPa622.16 664.534允许的循环次数(ASME标准)/No.1 204 1 062允许的循环次数(strain life)/No.1 317 1 153数据表明，离心力作用下，螺栓的最大应力发生在位置B，且该位置的应力幅值较大，位置B较早发生疲劳破坏的可能性大.此外，采用ASME标准的螺栓S-N曲线计算得到的螺栓最小寿命为1 062次，而采用基于应变的螺栓S-N曲线计算得到的螺栓最小寿命为1 153次，ASME方法与该螺栓实际运行统计的数据800次更为接近.从该燃汽轮机机组实际运行的情况来看，该高强度螺栓仅承受了低于1 000次的启停机就发生疲劳破坏.因此，采用ASME标准的螺栓S-N曲线对于评估该结构的高强度螺栓的疲劳寿命是合适的.4 设计改进方案通常，在螺栓连接结构中，螺栓的承载关系受制于螺栓的刚度Cb与法兰的刚度Cf的线性比例分配关系.通过增长螺栓可以提高螺栓柔度，降低螺栓的刚度，从而可以降低螺栓部分的承受外载，进而降低螺栓的应力幅值.从这个思路出发，本研究采取了加长螺杆并增加数量的方法来降低螺栓的应力幅值.同时，针对改进方案同样进行了上述的应力分析，结果如表5与图10所示.图10(a)为螺栓预紧静止工况的应力分布，图10(b)为运行至额定转速的应力分布.通过比较可知，改进后的螺栓的应力幅值由原来的664.534 MPa降低至116.286 MPa，应力降幅明显.通过寿命评估发现，最危险断面的寿命大大提高，由之前的1 062次增加至2 392 536次.事实上，设计方案改进后，该燃汽轮机机组的实际运行情况表明，其风扇座环连接尚未出现螺栓断裂的情况.表5 改进方案的螺栓重点断面应力以及寿命计算汽端改进方案螺栓位置A位置B 平均应力/MPa301.8285282.8255应力幅值/MPa28.453529.0715应力集中系数44应力幅值/MPa113.814116.286允许的循环次数/No.2 690 5452 392 536(a)预紧工况(LC2)(b)额定运行工况(LC3)图10 改进方案螺栓的应力水平5 结语本研究以实际工程中的某型号燃汽轮机风扇座环连接螺栓断裂问题为分析对象，采用了基于有限单元法分析应力并结合疲劳寿命分析的方法，对该问题进行了研究.在研究中，着重分析了各运行工况下的螺栓应力分布以及接触状态的变化，对比分析了高强度螺栓应变疲劳以及ASME标准中的应力疲劳曲线，并对该螺栓进行了寿命分析计算.在此基础上，提出了提高螺栓寿命的设计改进方案，并通过实际应用验证了方案的可靠性.参考文献：【相关文献】[1]张伦.高强度螺栓断裂失效分析研究[J].石油和化工设备，2017，20(6)：55-57.[2]王自勤.螺栓应力应变及疲劳寿命分析[J].航空制造技术，2001，44(4)：44-46.[3]杜静，黄文，王磊，等.基于接触分析的高强度螺栓疲劳寿命分析[J].现代科学仪器，2013，23(1)：73-77.[4]蒲泽林，杨昆，刘宗德，等.汽轮机联轴器螺栓疲劳特性及寿命预测模型的研究[J].中国电机工程学报，2002，22(7)：90-94.[5]张硕.高强度螺栓疲劳强度计算方法的探讨[J].重工与起重技术，2017，14(3)：1-3.[6]Bannantine J A.Fundamentals of metal fatigue analysis[M].Englewood Cliffs,New Jersey,USA:Prentice Hall Press,1990.。

第二章机械设计总论一．选择题2-1 机械设计课程研究的内容只限于____3___。

(1) 专用零件的部件(2) 在高速，高压，环境温度过高或过低等特殊条件下工作的以及尺寸特大或特小的通用零件和部件(3) 在普通工作条件下工作的一般参数的通用零件和部件(4) 标准化的零件和部件2-2 下列8 种机械零件：涡轮的叶片，飞机的螺旋桨，往复式内燃机的曲轴，拖拉机发动机的气门弹簧，起重机的起重吊钩，火车车轮，自行车的链条，纺织机的纱锭。

其中有__4___是专用零件。

(1) 3 种(2) 4 种(3) 5 种(4) 6 种2-3 变应力特性可用σmax,σmin,σm, σa, r 等五个参数中的任意__2___来描述。

(1) 一个(2) 两个(3) 三个(4) 四个2-4 零件的工作安全系数为__2__。

(1) 零件的极限应力比许用应力(2) 零件的极限应力比零件的工作应力(3) 零件的工作应力比许用应力(4) 零件的工作应力比零件的极限应力2-5 在进行疲劳强度计算时，其极限应力应为材料的_2___。

(1) 屈服点(2) 疲劳极限(3) 强度极限(4) 弹性极限第三章机械零件的强度一．选择题3-1 零件的截面形状一定，如绝对尺寸(横截面尺寸)增大，疲劳强度将随之_3____。

(1) 增高(2) 不变(3) 降低3-2 零件的形状，尺寸，结构相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度___1___。

(1) 较高(2) 较低(3) 相同3-3 零件的表面经淬火，渗氮，喷丸，滚子碾压等处理后，其疲劳强度__1_____。

(1) 增高(2) 降低(3) 不变(4) 增高或降低视处理方法而定第四章摩擦，磨损及润滑概述一．选择题4-1 现在把研究有关摩擦，磨损与润滑的科学与技术统称为__4_____。

(1) 摩擦理论(2) 磨损理论(3) 润滑理论(4) 摩擦学4-2 两相对滑动的接触表面，依靠吸附的油膜进行润滑的摩擦状态称为__4_____。