高强度螺栓扭矩系数研究

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高强度螺栓扭矩系数研究
董达善;陈佳亮;刘海洋;梅潇
【摘要】High-strength bolt connection is widely applied to the key component of steel structure and bolt pretension is one of the most important acceptance indexes.However,the pretension is difficult to control precisely as a result of deformations of bolt and
fastening.Therefore,the proper tightening torque leading to the expectant pretension becomes a hotspot in engineering application.Bringing in pressure distribution coefficient to estimate the relationship between pretension and tightening torque and achieve an amendatory torque coefficient.Furthermore,the correctness of the theoretical derivation is verified by the data comparison between experiment and FEM simulation and give assistance to future research and design.%高强度螺栓连接广泛应用于钢结构重要部位,螺栓预紧力又是度量连接质量的重要参数;而由于螺栓和被连接件的变形,预紧力很难精确控制;为达到预期的预紧力应施加多大的拧紧力矩成为工程应用中的焦点.在扭矩系数中引入轴力相关系数来考虑扭矩与预紧力的关系,得到了修正的扭矩系数;并通过实验和有限元仿真数据对比,验证了理论推导的正确性,为以后的设计与研究提供了指导.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2017(017)016
【总页数】5页(P182-186)
【关键词】高强度螺栓;扭矩系数;轴力相关系数;有限元仿真
【作者】董达善;陈佳亮;刘海洋;梅潇
【作者单位】上海海事大学物流工程学院,上海 201306;上海海事大学物流工程学院,上海 201306;上海海事大学物流工程学院,上海 201306;上海海事大学物流工程学院,上海 201306
【正文语种】中文
【中图分类】TH131.3
高强度螺栓连接是结构,尤其是大型结构中常用于关键部位的连接形式。

高强度螺栓连接按力的传递方式可分为摩擦型和承压型;其中摩擦型主要用于承载动力载荷的结构。

针对摩擦型连接方式进行研究。

摩擦型高强度螺栓连接利用强大的预紧力将被连接件夹紧,依靠钢板接触面间的摩擦阻力来传递构件的内力。

只有当外力超过抵抗滑移的摩擦力后,板件间才会发生相对滑移,摩擦型高强螺栓连接即是以开始发生滑移作为连接失效的极限状态,所以对于预紧力的控制成为高强度螺栓连接应用中的重要问题。

典型的预紧力控制方法有扭矩法、转角法、扭剪法和直接拉伸法四种,其中扭矩法由于其便于操作而广泛应用于工程实际当中。

扭矩法中扭矩系数是控制预紧力的唯一方法,而扭矩系数又有许多影响因素。

许多专家学者对扭矩系数的影响因素进行了各方面的研究,取得了一定的成果。

Motash[1]推导了拧紧过程中扭矩系数的数学表达式;阮宝湘[2]针对不同规格螺栓,不同摩擦系数进行了理论计算,给出了扭矩系数和摩擦系数的简单关系。

Sawa[3]通过大量实验建立了螺母支撑面应力分布假设并引入了接触力学。

Nassar[4,5]提出4种典型的螺栓头支承面和螺纹啮合面接触压力分布形式,并给出对应的接触压力半径表达式。

Croccolo[6]通过实验和数值模拟的方法分析了
不同的表面处理方式对摩擦系数的影响,并建立摩擦系数与扭矩系数的定性关系。

杨涯学[7]研究了达克罗高强螺栓扭矩系数的影响因素, 包括螺纹间配合的松紧度、表面处理、表面润滑以及试验方法等, 通过试验分析了各种因素对扭矩系数的影响规律。

杨国庆[8]引入了假设垂直螺栓轴线的受压层在径向位置压应力的4 次关系式,推导了被连接件刚度的计算公式。

朱林波[9]将螺栓连接支承面接触问题简化为集中载荷和力矩耦合作用的有限刚度平头压模接触问题分析螺栓预紧力、装配间隙和被连接件材料对螺栓连接支承面接触压力分布的影响规律。

王赛[10]设计了一套简易的螺栓预紧力测量装置进行现场实际的测量,验证了实验装置的可靠性。

邵国强[11]开发了一种高精度螺栓装配连接试验台,模拟不同材料及规格的螺栓装配过程,并实时检测螺栓扭矩和预紧力的变化。

前人从各个角度对扭矩系数的影响因素展开了卓有成效的研究工作,然而其中依然存在某些因素没有完全考虑在内。

本文以8.8级M36高强度螺栓连接为研究对象,采用理论计算、有限元仿真和实验测试结合的方法,研究了拧紧力矩与预紧力之间的关系,并同时考虑螺栓和被连接件对其的影响,引入轴力相关系数对扭矩系数进行了修正。

1.1 扭矩与预紧力关系
根据螺纹力学理论,拧紧螺母时,要克服的螺旋副间的螺纹力矩T1和螺母支承面上的摩擦力矩T2,故拧紧力矩为T=T1+T2。

在三角螺纹的螺栓上,转动螺母所需的螺纹力矩为
T1=F1dtan(φ+ρv)/2
式(1)中,F1为螺栓轴力kN,d为螺栓公称直径mm,φ为螺纹升角,ρv为当量摩擦角。

对于六角螺母支承面上的非磨合圆环面摩擦力矩为
T2=μnF2rn
式(2)中,F2为被连接件轴力kN,μn为支承面摩擦系数,rn为圆环面当量摩擦半
径rn=(D13-D03)/3(D12-D02) mm,D1为非磨合圆环面外径mm,D0为非磨合圆环面内径mm。

将式(1)、式(2)整理得
T=F1dtan(φ+ρv)/2+μnF2rn=F’d[tan(φ+ρv)/2+μnr n/d]
令k=tan(φ+ρv)/2+μnrn/d
则有T=kF′d,式中F′为预紧力kN,F′=F1=F2,k即是扭矩系数,用于衡量预紧力与预紧扭矩之间关系的系数。

1.2 扭矩系数的修正
在式(4)中,预紧力F′=F1=F2,而往往在工程实际情况下用可以测得的F2来代替预紧力F′,然而这一等效过程中忽略了螺栓与被连接件轴力之间的比例关系,预紧力根据定义是指螺栓上的轴力即F′=F1,因此本文引入轴力相关系数α,用以对扭矩系数k做修正。

将式(5)代入式(3),得到修正后的扭矩系数k′
k′=tan(φ+ρv)/2+μnrn/dα
螺栓与被连接件的变形比较复杂,可以近似地认为螺栓的总变形与外侧套筒等被连接件的总变形加上螺母拧紧所转过角度的垂直分量相同,如图1(a)所示,所以该模型为一次超静定问题。

螺栓的变形为δ1=4F1l1/πE1d,螺母拧紧的垂直分量Δl=pβ/360πd,外侧套筒等被连接件以及螺母的总变形δ2=2δ21+δ22,δ21盖板变形,δ22套筒变形
δ22=4F2l2/πE2(dm2-dh2)。

盖板变形δ21需要运用接触力学,考虑接触面的应力分布和传递,建立受压层应力非均匀分布解析模型[8]如图1(b)所示。

假设压应力为径向尺寸的4次关系式σr=ar4+br3+cr2+dr+e,式中a、b、c、d、e均为待定系数,可以通过应力边界条件求得,考虑盖板厚度较小,所以得到变形为。

令。

则上式化简为δ21=F2d′/πdhE2tanθ,式中θ为半顶角,参照文献[8]选
取。

联立方程组。

解得。

可得到轴力相关系数:
2.1 实验装置
本实验采用的高强度螺栓副特性参数如下表1所示,实验装置参照文献[10,11]设计。

实验装置示意图如图2所示。

套筒和盖板所用材料参照等刚度原则,螺栓弹性模量[12]为2.0×105 N·mm-2,泊松比0.3,套筒和盖板的弹性模量[13]为2.0×105 N·mm-2,泊松比0.3。

套筒尺寸φ38~φ62~126 mm,盖板尺寸30 mm×125 mm×210 mm。

实验时测量轴力的应变片贴在套筒四个方向,具体实验装置如图3所示,实验加载使用扭矩扳手(图3左侧),中间黑胶布位置即为应变片,参照文献[12]整个实验过程中试件均处在弹性范围内。

2.2 有限元仿真
通过ANSYS软件采用SOLID186、TARGE170和CONTA174单元,首先建立模型如图4所示,在左侧盖板长边方向施加固定约束,在右侧盖板长边方向释放轴向约束,由于扭矩的施加会导致网格畸变无法收敛,所以在螺母端面施加等效均布载荷,提取螺纹接触面扭矩,螺纹面通过在截面定义命令SECTYPE、SECDATA 定义螺纹形状。

图5展示了该算法下螺纹面的接触情况。

3.1 轴力相关系数
有限元仿真数据结果如表2所示,仿真的螺栓与套筒的轴力相关系数在0.594左右浮动,对比式(7)理论计算结果,相对误差随预紧力增大略有减小,从5.822%到1.917%,理论与仿真的误差在较小的范围内,所以认为预紧力的变化不会对轴力的分配形成太大影响,而且同一模型的轴力相关系数为某一常数,因此后文所
有的扭矩系数修正中均认为。

3.2 扭矩系数k
根据式(4)、式(6)分别计算本实验装置的修正前后的扭矩系数,修正后的值较修正
前增大了33%,结合表3数据分析,发现扭矩系数k在引入了轴力相关系数后均增大,而且修正后扭矩系数增大了大约40%,所以扭矩系数必须进行相应的修正。

从图6上可以看到扭矩系数曲线呈线性分布,在实验次数增加后扭矩系数的离散
性变小,表明随着拧紧次数的增加,表面情况趋于稳定,扭矩系数也会随之收敛;同时结合表格数据可以得到,修正后扭矩系数k在修正后均值为0.25,修正后的
扭矩系数曲线落在实验散点内部,证明仿真结果与实验数据吻合,不过同时发现通过实验数据求得的扭矩系数方差为0.04,实验散点在曲线的上下有大约20%的浮动,数据的离散程度无法通过修正以减少。

本文根据螺纹力学和接触力学原理推导出了轴力相关系数计算公式,并结合有限元仿真和实验对扭矩进行了修正,得到如下结论。

(1)本文引入的轴力相关系数α计算公式对同一模型是相同的,且经过有限元仿真
的验证不随任何其他因素如摩擦系数、螺纹升角等的影响。

但是对于不同的模型轴力相关系数则可能会发生变化,需要改变模型参数重新计算。

所以在设计时,需
要考虑实验模型与实际模型之间的差异,换算出实际模型下的轴力相关系数。

(2)本实验模型的扭矩系数的有限元仿真和实验测试结果均呈线性关系,在引入轴
力相关系数α对于扭矩系数k的增加达到40%,略大于理论计算结果,所以轴力
的分配对于扭矩系数的影响是绝对不可以忽视的,此外扭矩系数的离散性依然存在,与轴力相关系数无关。

GB 50017—2003:Code for design of steel structures
*通信作者简介:陈佳亮(1991—),男,硕士研究生。

E-mail:***************。

Dong Dashan, Chen Jialiang, Liu Haiyang, et al. Research on torque coefficient of high-strength bolt[J]. Science Technology and Engineering, 2017, 17(16): 182—186
【相关文献】
1 Motosh N. Development of design charts for bolts preload up to the plastic range. Journal of Engineering for Industry, 1976; 98(3): 849—851
2 阮宝湘. 螺栓的拧紧力矩系数. 工程力学, 1985; 2(2):132—137
Ruan Baoxiang. The torque coefficient of bolt. Engineering Mechanics, 1985; 2(2):132—137
3 Sawa T, Kumano H, Morohoshi T. The contact stress in a bolted joint with a threaded bolt. Experimental Mechanics, 1996; 36(1): 17—23
4 Nassar S A, Matin P H, Barber G C. Thread friction torque in bolted joints. Journal of Pressure Vessel Technology, 2005; 127(4): 387—393
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6 Croccolo D, Agostinis M.De, Vincenzi N. Failure analysis of bolted joints: effect of friction coefficients in torque-preloading relationship. Engineering Failure Analysis, 2011; 18(1): 364—373
7 杨涯学, 曹卫亮. 达克罗高强螺栓扭矩系数的影响因素. 理化检验(物理分册), 2011; 47(3): 196—198
Yang Yaxue, Cao weiliang. Influencing factors of torque coef ficient of dacro high-strength bolts. Physical Testing and Chemical Analysis Part A:Physical Testing, 2011; 47(3): 196—198
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Zhu Linbo, Liu Zhigang, Jiang Xiangjun, et al. Contact pressure model of fastener interface with stress singularities. Journal of Mechanical Engineering, 2014; 50(23): 89—96
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12 JGJ 82—2011.钢结构高强度螺栓连接技术规程
JGJ 82—2011.Technical specification for high strength bolt connections of steel structures 13 GB 50017—2003:钢结构设计规范。

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