螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择

$$ 循 环 拉 应 力 的 应 力 幅 !3 $
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其中 $$ 有效应力集中系数 ! 具体值可 %! $ 查文献
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螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择
周志鸿 ! 李 静
" 北京科技大学 土木与环境工程学院设备工程系 ! 北京
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摘要 ! 介绍了承受交变载荷的螺栓联接进行疲劳强度计算的几种方法 $ 按照最 小应力保持不变计算 % 按 照 应 力 幅 计 算 % 按 照 应 力 比 保 持 不 变 计 算 % 用 疲 劳 损 伤 累 积假说计算和有限元法计算 & 并用前四种方法对两个实例进行了计算比较 ! 得出各 计算方法的选择依据 & 关键词 ! 螺栓联接 ’ 疲劳强度 ’ 计算方法 中图分类号 !!"#$%&’ 文献标识码 !#
式中 (( 计算安全系数 )*& (
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保持不变 ! 由 ! " !/( 可知 ! 螺栓的最小应力 值保持不变 !因此可按照最小应力保持不变 !
凿岩机械气动工具 !!""!""#
(( 材料对称循环拉压疲劳极限 ! !3# ( 具体值可由下式计算得出
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$$ 许 用 安 全 系 数 ! 对 螺 栓 联 接 # !!!!!!" $ ! ! " $ %&’ ( ’)* !+, - *)’."!" / !#% 见文献!’" $$ 材料的抗拉强度极限 ! 具体值 !0 $ 可查机械设计手册 $$ 材料的屈服强度极限 ! 具体值 !1 $ 可查机械设计手册 $$ 应力折算系数 "! $ "! - !+, !# $$ 疲劳极限的综合影响系数 $! $ 公式 式中
$$ 许用应力幅 !!!3" !!3" $
!8, ’ !!3" $!
$$ 按应力幅计算时的许用安全 !!3" $ 系 数 ! 对 螺 栓 联 接 ! !!3" ,&:!’&: 其他参数意义同上 & 满足式 (. #条件即为满足疲劳强度要求 & 另外 ! 还有一种按照应力幅进行计算的
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计 算!得 到 的 安 全 系 数 分 别 为 计算方法 计 算 安 全 系 数 #7*
!最 小 应 力 保 持 不 变 & 应力幅 3 应力比保持不变 " 疲劳损伤累积假说
!."!.4! !.+" &.2!
由上面的计算结果可以看出& 在已知 条件均相同时! 按照最小应力保持不变进 行 疲 劳 强 度 计 算 " 即 方 法 !’ 的 计 算 安 全 系 数最小( 按照应力比保持不变进行疲劳强 度 计 算 ) 即 方 法 3’ 的 计 算 安 全 系 数 偏 大 ( 按 照 应 力 幅 进 行 疲 劳 强 度 计 算 " 即 方 法 &’ 的计算安全系数居中! 故方法 ! 的计算结 果偏于安全(方法 3 的计算结果偏于危险! 方法 & 的计算结果居中$
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其中
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$$ 循环基数 ! 对钢材拉压疲劳 ! $# $ $# ! ""!"# % " "#$ $$ 材 料 常 数 ! 对 钢 材 拉 压 疲 劳 ! ($ ( ! $!%# $$ 第 & 个变应力的应力幅值 !& $ $$ 变应力 !& 的循环次数 ’& $ $$ 许用安全系数 ! 对螺栓联接 ! ’’( $
#
有所长 & 实际进行疲劳强度计算时 ! 应根据
凿岩机械气动工具 !!""!""#
栓 直 径 为 !" ## ! ! $! % &!’ ()##& ! !* %
机械设备中重要的螺栓疲劳强度的计算和 校 核 !应 该 选 用 方 法 !! 即 按 照 最 小 应 力 保 持不变进行疲劳强度计算( 对于机械设备 中一般性的螺栓疲劳强度的计算和校核! 应 该 选 用 方 法 &! 即 按 照 应 力 幅 进 行 疲 劳 强度计算( 对不重要的螺栓联接疲劳强度 的 计 算 和 校 核 !应 选 用 方 法 3! 即 按 照 应 力 比保持不变进行疲劳强度计算$ "& ’ 对 于 承 受 非 规 律 性 的 变 应 力 的 螺 栓 ! 应 按 照 疲 劳 损 伤 累 积 假 说 " 方 法 " ’! 即 米 奈 " 901:; ’ 法 则 ! 进 行 疲 劳 计 算 $ "3 ’ 用 有 限 元 法 对 交 变 载 荷 作 用 下 螺 栓 疲 劳 寿 命 的 计 算 " 方 法 - ’! 可 以 利 用 有 限元分析的应力结果! 按照介绍的疲劳强 度公式计算螺栓的疲劳强度! 也可以直接 在有限元软件中进行螺栓疲劳计算! 现在 这种方法还很少有人应用! 今后应加强这 方面的研究! 推广用有限元法对螺栓进行 疲劳寿命的分析$ 参考文献!
’( 螺栓的总拉力 !! ( (( 螺栓的预紧力 !& ( (( 螺栓的工作拉力 !% ( (( 螺栓的刚度 "# ( (( 被联接件的刚度 "% (
总拉力
!!%&’ 变 化 ! 总 拉 力 !! 的 变 化 示 意 图 如 图 !
所示)
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图! 螺栓受到的总拉力 !! 变化示意图
时间
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(Βιβλιοθήκη Baidu
$$ 材料对称循环拉压疲劳极限 ! !+, $ 具体值可由下式计算得出
疲劳强度的计算 !其计算公式为!."
!13 - !!3" !!!3" !3
式中
#
". %
!+, - *&’.(!1 / !0#
$$ 材料的抗拉强度极限 ! 具体值 !0 $ 可查机械设计手册
凿岩机械气动工具 !!""! "" #
承受交变载荷作用的螺栓联接! 其失 效形式主要为疲劳破坏! 此时进行螺栓强 度计算除了用最大载荷进行静强度计算 外 !还 须 进 行 疲 劳 强 度 的 计 算 !以 保 证 该 零 部件既不会在最大载荷下发生静强度断 裂 !也 不 会 在 循 环 载 荷 下 发 生 疲 劳 破 坏 & 本 文将对现有的螺栓疲劳强度的计算方法作
!)/!’
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!3 - !435 + !467 ’
$$ 最大应力值 !435 $ $$ 最小应力值 !467 $ 满足式 "’%条件即为满足疲劳强度要求 &
!8, !!!" $!!’/"!!)
(: #
式中各参数意义同上 满足式 (: #条件即为满足疲劳强度要求 &
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用疲劳损伤累积假说计算疲劳强度 前面介绍的几种计算螺栓疲劳强度的
$$ 计算安全系数 !13 $
+
#
图! 非规律性变应力转化为分级稳定交变应力
时间
$$ 材料的屈服强度极限 ! 具体值 !!!!!! $ 可查机械设计手册 $$ 不 稳 定 变 应 力 的 计 算 应 力 ! !"# $
!!!!(
应 变 状 态 ! 现 在 已 经 很 普 遍 ’* ’$( ! 但 对 于 交 变载荷作用下螺栓的有限元分析! 还很少 有 人 进 行 & 实 际 上 !可 以 利 用 有 限 元 分 析 的 应力结果! 按照前面介绍的疲劳强度公式 计算螺栓的疲劳强度! 也可以利用有限元 分 析 软 件 +,-.- 进 行 任 意 载 荷 下 的 螺 栓 疲劳计算&
因素 &
&3 - "&.435 8 &*%9’
式中 $$ 螺栓的拉力幅 &3 $ $$ 螺栓的总拉力最大值 &.435 $ $$ 螺栓的预紧力 &* $ 拉力幅是影响螺栓疲劳强度的主要因 素 !由 ! - & 可 知 !可 按 照 应 力 幅 进 行 螺 栓
!13 - !+, ! !!" !?3
式中 $$ 计算安全系数 !13 $
应力应变 疲劳分析 疲劳寿命
材料参量 图" 基于有限元分析结果的疲劳寿命分析流程图
1
各种计算方法的应用实例
螺栓联接疲劳强度的几种计算方法 ! 各
螺栓联接的重要性程度 ’ 载荷情况选用适当 的计算方法 ! 以保证螺栓联接的安全性 & 下 面为两个应用实例 * 实 例 "* 某 一 气 缸 盖 螺 栓 联 接 ! 其 中 螺
#
* 所示&
螺 栓 受 到 的 总 拉 力 !$ 等 于 残 余 预 紧 力
!% 与 工 作 拉 力 !* 之 和 & 总 拉 力 !$ 的 计 算 公
凿岩机械气动工具 !!""! "" #
残余预紧力
!#
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图" 螺栓内部残余预紧力 !# 变化示意图
时间
式为$
! ! " !# $ ! % " !& $
+,-.- 软 件 中 ! 在 完 成 了 应 力 计 算
后!可以进入疲劳计算 & 先确定材料疲劳 性 质 ! 即 材 料 的 疲 劳 强 度 与 寿 命 曲 线 (- /
,#曲 线 )确 定 结 构 模 型 上 可 能 产 生 疲 劳 破
坏的位置以及这些位置在不同时刻的应 力状态!定义应力集中系数’各应力状态 的 循 环 次 数 和 比 例 系 数 ! 就 可 直 接 在 +,#
!"!
按照应力幅计算疲劳强度 拉 力 幅 &’ 是 影 响 螺 栓 疲 劳 强 度 的 最 大
方 法 !都 是 对 于 规 律 性 的 交 变 应 力 !而 对 于 非 规 律 性 的 变 应 力 !计 算 时 !可 以 先 简 化 为 分 级 稳 定 交 变 应 力 ( 如 图 ; 所 示 #! 按 照 疲 劳 损 伤 累 积 假 说 ! 即 米 奈 ( <67=> # 法 则 ! 进 行计算& 疲劳强度计算公式为!,"
式中
"# % !% "# $ "%
"# 称为螺栓的相对刚度 ! 其取值 "# $ "%
"# & 由垫 片 材 料 决 定 ) 一 般 推 荐 下 列 数 据 $ 金 属 垫 片 或 无 垫 片 &’%( &)! ! 皮 革 垫 片 &)* ! 铜 皮 石 棉 垫 片 &)+ ! 橡 胶 垫 片 &), -#. ) 由 式 * # # 可 以 看 到 ! 总 拉 力 !! 由 !& 到
%
"$#
螺栓疲劳强度计算与校核的 方法简介
按照最小应力保持不变计算疲劳强度 由图 ! 可以看出 ! 螺栓承受拉力最小值
即 !012 " " 对螺栓进行疲劳强度计算 ) 其疲 劳强度计算的强度公式为
)*& " %!3# $ *+! 3 "!#!012 ! -). *+! $ "!#*%!& $ !012#
校核! 考虑到规律性载荷是非规律性载荷 的一 种 特 例 !也 采 用 方 法 " 进 行 计 算 !得 到 的计算安全系数分别为& 计算方法 计 算 安 全 系 数 #7*
&
! 最小应力保持不变 & 应力幅
!.3+ !.43
3 应力比保持不变 &./8 " 疲劳损伤累积假说 !.8& 实 例 &&大 型 模 锻 水 压 机 立 机 端 的 螺 栓 联 接 ! 其 中 螺 栓 直 径 +-/ ## ! ! $! % !+4() ##& ! !$ % !"."!()##& ! !! % -.-4 ! "! % /.3- ! !#01 % "/.28()## ! 5 #!6%!.- $ 在 已 知 条 件 相 同 的 前 提 下 ! 采 用 方 法 ! %& %3 %" 进 行
工作拉力
一 介 绍 !并 加 以 比 较 &
#
螺栓的受力分析
绝大多数螺栓联接都是紧联接! 在承
受 预 紧 力 !( 作 用 的 同 时 ! 还 承 受 由 ) 到 !* 循环变化的脉动工作载荷! 典型脉动工作 载 荷 变 化 图 参 见 图 %&
!*
)
图! 螺栓工作拉力 !" 变化示意图
时间
螺栓在承受工作载荷后! 根据螺栓和 被 联 接 件 的 变 化 情 况 ! 螺 栓 的 预 紧 力 !) 会 减 少 至 残 余 预 紧 力 !% ! 其 变 化 示 意 图 如 图
’’( ! ")%!%)# 满 足 条 件 "$ % 即 为 满 足 疲 劳 强 度 要 求 & #$"
用有限元法计算螺栓疲劳强度 用有限元法分析螺栓受静载荷时应力
载荷历史 有限元分析
-.- 里 进 行 疲 劳 计 算 ! 得 到 指 定 位 置 的 疲 劳寿命耗用系数& 具体的分析流程图如 *
所 示 ’0( &
5!6 濮 良 贵 ! 纪 名 刚 . 机 械 设 计 596. 北 京 & 高 等 教 育
出 版 社 ! &//3
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$$ 尺寸系数 !具体值可查文献!%" #! $ $$ 表面质量系数 ! 具体值可查文 $! $ 献
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按照应力比保持不变计算疲劳强度 还有一种螺栓疲劳强度计算的方法 ! 即
$$ 强化系数 ! 具体值可查文献!%" $2 $ $$ 循环拉应力的应力幅 !3 $
按照应力比 % - !)8!’ 保持不变进行计算