螺紋連接強(qiáng)度總結(jié)第1篇螺紋連接強(qiáng)度總結(jié)第1篇螺紋連接的失效主要是指螺紋連接件的失效

對于受拉螺栓，其失效形式主要是螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂。對于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓桿被剪斷或螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰

螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算，首先是根據(jù)連接類型、裝配情況、載荷狀態(tài)等條件，確定螺栓的受力；然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑或校核其強(qiáng)度。螺栓的其他各部分和螺母、墊圈，可按螺栓螺紋的公稱直徑由標(biāo)準(zhǔn)中選定

螺紋連接強(qiáng)度總結(jié)第2篇以圓柱普通外螺紋為例說明螺紋的主要參數(shù)。

6.接觸高度h——內(nèi)、外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度，h≈。

注意：螺栓往往有全螺紋和非全螺紋之分，非全螺紋的光桿尺寸為中徑或大徑尺寸，也有部分螺栓光桿的ds＜d1，比如不脫出螺釘，此時(shí)強(qiáng)度與預(yù)緊力應(yīng)按更小的ds校核計(jì)算。

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺紋連接件按材料的力學(xué)性能劃分等級(jí)。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃?jí)分為9級(jí)，自至。性能等級(jí)的代號(hào)是由點(diǎn)隔開的兩部分?jǐn)?shù)字組成，點(diǎn)左邊的數(shù)字表示公稱抗拉強(qiáng)度的1/100(σB/100)，點(diǎn)右邊的數(shù)字表示屈服強(qiáng)度(σs或σ)與公稱抗拉強(qiáng)度(σB)之比值(屈強(qiáng)比)的10倍(10σs/σB)。例如性能等級(jí)，其中4表示緊固件的公稱抗拉強(qiáng)度為400MPa，6表示屈服強(qiáng)度與公稱抗拉強(qiáng)度之比為，即屈服強(qiáng)度為240MPa。螺母的性能等級(jí)分為7級(jí)，用螺栓性能等級(jí)標(biāo)記的第一部分?jǐn)?shù)字標(biāo)記，從4到12，數(shù)字表示與該螺母相配的螺栓中性能等級(jí)最高的，也近似表示螺母最小保證應(yīng)力σmin的1/100。選用時(shí)，須注意所用螺母的性能等級(jí)應(yīng)不低于與其相配螺栓的性能等級(jí)。

適合制造螺紋連接件的材料品種很多，常用材料有低碳鋼(Q215、10鋼)和中碳鋼(Q235、35鋼、45鋼)。對于承受沖擊、振動(dòng)或變載荷的螺紋連接件，可采用低合金鋼、合金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnSi等。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定級(jí)及以上的中碳鋼、低碳或中碳合金鋼都須經(jīng)淬火并回火處理。對于特殊用途(如防銹蝕、防磁、導(dǎo)電或耐高溫等)的螺紋連接件，可采用特種鋼或銅合金、鋁合金等，并經(jīng)表面處理(如氧化、鍍鋅鈍化、磷化、鍍鎘等)。

普通墊圈的材料，推薦采用Q235、15鋼、35鋼，彈簧墊圈用65Mn制造,并經(jīng)熱處理和表面處理。

螺紋連接件的許用應(yīng)力與載荷性質(zhì)(靜、變載荷)、裝配情況(松連接或緊連接)以及螺紋連接件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)。螺紋連接件的許用拉應(yīng)力按下式確定:

螺紋連接件的許用切應(yīng)力[τ]和許用擠壓應(yīng)力[σp]分別按下式確定:

式中:σs、σB——螺紋連接件材料的屈服極限和強(qiáng)度極限。常用鑄鐵連接件的σB可取200~250MPa;

S、Sτ、Sp——安全系數(shù)，見下表。

絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)都必須擰緊，使連接在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用。這個(gè)預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。經(jīng)驗(yàn)證明，適當(dāng)選用較大的預(yù)緊力對螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強(qiáng)度都是有利的，特別對于像氣缸蓋、管路凸緣、齒輪箱、軸承蓋等緊密性要求較高的螺紋連接，預(yù)緊更為重要。但過大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致整個(gè)連接的結(jié)構(gòu)尺寸增大，也會(huì)使連接件在裝配或偶然過載時(shí)被拉斷。因此，為了保證連接所需要的預(yù)緊力，又不使螺紋連接件過載，對重要的螺紋連接，在裝配時(shí)要控制預(yù)緊力。

通常規(guī)定，擰緊后螺紋連接件在預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料屈服極限σs的80%。對于一般連接用的鋼制螺栓連接的預(yù)緊力F0，推薦按下列關(guān)系確定：

受變載荷的螺紋預(yù)緊力應(yīng)比受靜載荷的大些。QC/T518-2013也給出了各螺紋的最大預(yù)緊力，讀者可作為參考。

控制預(yù)緊力的方法很多，通常是借助測力矩扳手利用控制預(yù)緊力矩的方法來控制預(yù)緊力的大小。

擰緊力矩通過以下公式求得：

但是在工程應(yīng)用中，一般不會(huì)用這么復(fù)雜的公式，而是通過經(jīng)驗(yàn)公式求得：

采用測力矩扳手或定力矩扳手控制預(yù)緊力的方法，操作簡便，但準(zhǔn)確性較差(因護(hù)緊力矩受摩擦系數(shù)波動(dòng)的影響較大)，且容易擰斷M8以下的小螺栓，也容易擰不緊M32以上的大型螺栓。為此，可采用測定螺栓伸長量的方法來控制預(yù)緊力。當(dāng)螺母擰到與被連接件貼緊時(shí)，測得螺栓的原始長度為Ls，根據(jù)所需的預(yù)緊力F0，擰緊后螺栓的伸長量Lm為下式，單位為N/mm。

比如的級(jí)螺栓與8級(jí)螺母夾緊厚度x=20mm的兩塊板。螺栓材料的彈性模量E=206GPa=206000MPa，預(yù)緊力按*σs*A1取值，則伸長量

螺栓受載的形式不外乎是受軸向力或受橫向力。在軸向力(包括預(yù)緊力)的作用下，螺栓桿和螺紋部分可能發(fā)生塑性變形或斷裂；而在橫向力的作用下，當(dāng)采用較制孔用螺栓時(shí)，螺栓桿和孔壁的貼合面上可能發(fā)生壓潰或螺栓桿被剪斷等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在靜載荷下螺栓連接是很少發(fā)生破壞的，只有在嚴(yán)重過載的情況下才會(huì)發(fā)生。就破壞性質(zhì)而言，約有90%的螺栓屬于疲勞破壞。而且疲勞斷裂常發(fā)生在螺紋根部，即截面面積較小并有缺口應(yīng)力集中的部位(約占其中的85%)，有時(shí)也發(fā)生在螺栓頭與光桿的交接處(約占其中的15%)。

綜上，對于受拉螺栓，其主要破壞形式是螺栓桿螺紋部分發(fā)生斷裂，因而其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證螺栓的靜力或疲_伸強(qiáng)度；對于受剪螺栓，其主要破壞形式是螺栓桿和孔壁的貼合面上出現(xiàn)壓潰或螺栓桿被剪斷，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證連接的擠壓強(qiáng)度和螺栓的剪切強(qiáng)度，其中連接的擠壓強(qiáng)度對連接的可靠性起決定性作用。

松螺栓連接裝配時(shí)，螺母不需要擰緊。在承受工作載荷之前，螺栓不受力。這種連接應(yīng)用范圍有限，例如拉桿、起重吊鉤等的螺紋連接均屬此類。

（1）僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接

緊螺栓連接裝配時(shí)，螺母需要擰緊，在檸緊力矩作用下，螺栓除受預(yù)緊力F0的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。因此進(jìn)行僅承受預(yù)緊力的緊螺栓強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮拉伸應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的作用。

（2）承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接

這種受力形式在緊螺栓連接中比較常見，因而也是最重要的一種。這種緊螺栓連接承受軸向拉伸工作載荷后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力并不等于預(yù)緊力F0和工作拉力F之和?？偫κ艿铰菟▌偠菴b及被連接件剛度Cm等因素的影響。因此，總拉力F2等于殘余預(yù)緊力F1與工作拉力F之和。

以上計(jì)算F2的公式還是稍顯麻煩，還可以在Workbench結(jié)果中查看螺栓預(yù)緊力，便是F2。

（3）承受工作剪力的緊螺栓連接

承受工作剪力的螺栓主要有鉸制孔螺栓、軸位螺釘?shù)?，它們即起到軸向連接作用，又起到橫向定位作用。這種情況下，螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓；在連接接合面處，螺栓桿則受剪切。因此，應(yīng)分別按擠壓及剪切強(qiáng)度條件計(jì)算。計(jì)算時(shí)假設(shè)螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的，又因這種連接所受的預(yù)緊力很小，所以不考慮預(yù)緊力和螺紋摩擦力矩的影響,

螺紋連接強(qiáng)度總結(jié)第3篇為了模擬螺栓頭、螺母或墊片對工件的作用，一般會(huì)在工件的孔邊沿創(chuàng)建一圈印記面，即作用面。如果建模采用實(shí)體螺栓，則無需創(chuàng)建作用面。

在WB中，螺栓可使用無螺栓而施加等效載荷，也可以使用梁代替螺栓，或者建立實(shí)體模型，區(qū)別如下表。

工程中，螺栓預(yù)緊時(shí)，工人使用扳手扭動(dòng)螺栓或螺母，當(dāng)預(yù)緊力（或扳手力矩）達(dá)到技術(shù)要求，工人去除扳手，螺栓的長度被鎖定。

WB中，螺栓預(yù)緊力加載一般需要分為兩個(gè)載荷步，第一步加載預(yù)緊力或調(diào)整量，第二步鎖定。這是為了模擬現(xiàn)實(shí)工程中的螺栓預(yù)緊過程。

WB中的預(yù)緊力或調(diào)整量是通過預(yù)緊單元添加的。加載預(yù)緊力表示預(yù)緊單元向中間收縮的力，調(diào)整量表示預(yù)緊單元向中間收縮的尺寸，調(diào)整量與預(yù)緊力的關(guān)系按中的預(yù)緊伸長量計(jì)算。

其余選項(xiàng)中，打開表示去除預(yù)緊力，增量表示增加調(diào)整量。

當(dāng)從外部CAD導(dǎo)入模型時(shí)，軸面往往被分割為兩部分，此時(shí)在其中一半圓弧面添加預(yù)緊力即可，因?yàn)轭A(yù)緊力是作用在預(yù)緊單元上，而不是圓弧表面。

在一些重要的裝配部件中，對螺栓擰緊順序是有要求的，比如按對角線依次擰緊。由于螺栓預(yù)緊力計(jì)算大多是非線性計(jì)算，所以與預(yù)緊力的加載順序有關(guān)系。這時(shí)至少需要比螺栓多1個(gè)的載荷步。

上圖預(yù)緊力施加1000N只是示意，實(shí)際施加多少請參考設(shè)計(jì)圖紙或。需要注意的是，如果按實(shí)際預(yù)緊力順序加載，可以造成不收斂（因?yàn)轭A(yù)緊力太大），所以建議在WB中可以給所有螺栓先施加一定的初始預(yù)緊力，比如上圖，將所有預(yù)緊力載荷步中的“打開”修改為載荷800N。

采用實(shí)體螺栓時(shí)，在螺栓頭部，螺栓與螺母綁定接觸處都容易出現(xiàn)應(yīng)力奇異，不能以這些地方的有限元計(jì)算應(yīng)力作為評定標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)無預(yù)緊力時(shí)，且只有軸向拉伸力時(shí)，可以直接取螺栓中部截面等效應(yīng)力的平均值。

當(dāng)有預(yù)緊力時(shí)，就無法直接從WB結(jié)果讀取了，需要使用（2）中的公式評定，詳見實(shí)例1。

實(shí)例1預(yù)緊力與工作載荷同時(shí)作用下的螺栓強(qiáng)度評定。

Step1建模。

建立靜力學(xué)算例，單位為mm。

在DM中如下模型，尺寸不重要，讀者自己斟酌。創(chuàng)建后凍結(jié)它。

為簡化計(jì)算（偷個(gè)懶），將螺栓與螺母創(chuàng)建為一個(gè)零件，螺桿直徑取M8螺栓小徑。

Step2接觸與網(wǎng)格。

進(jìn)入Mechanical中，創(chuàng)建螺栓與工件上下表面的接觸為摩擦，。其余默認(rèn)。

適當(dāng)細(xì)化網(wǎng)格，使工件在厚度方向至少2層單元，螺栓網(wǎng)格設(shè)置為1mm。

Step3邊界條件。

固定工件上表面。

由于需要設(shè)置預(yù)緊力，所有設(shè)置2個(gè)載荷步。

給螺栓施加預(yù)緊力1000N，第一步加載，第二步鎖定。

在第二步給工件右側(cè)下表面施加向下1000N的力。

Step4結(jié)果后處理。

查看螺栓等效應(yīng)力如下圖，最大值為821Mpa，且出現(xiàn)在螺栓邊角處，明顯是應(yīng)力奇異，不能采用此值。

在螺栓中部創(chuàng)建構(gòu)建幾何——面，查看面上應(yīng)力如下圖。最大值為，明顯也不對。

在結(jié)果中查看探針——螺栓預(yù)緊力如下圖。此時(shí)螺栓的工作載負(fù)載，即對應(yīng)于（2）中的總拉力F2=。

注:也可在結(jié)果的工具箱——螺栓工具中查看此工作負(fù)載。

通過（2）計(jì)算螺栓應(yīng)力為：

這種情況主要用于不關(guān)心螺栓強(qiáng)度，而只關(guān)心被連接的工具強(qiáng)度的情況。但是我們也可以提取總拉力F2，方法同實(shí)例1：在結(jié)果中查看探針——螺栓預(yù)緊力。

梁模型代替螺栓時(shí)不會(huì)出現(xiàn)實(shí)體模型那樣的應(yīng)力奇異，而且可以通過梁工具求得螺栓的拉伸應(yīng)力。但是需要注意，如果有預(yù)緊力，按照（2），還應(yīng)對求得的梁的拉應(yīng)力×，才是計(jì)算應(yīng)力。

實(shí)例2將實(shí)例1中螺栓換為梁模型，評定螺栓強(qiáng)度。

Step1建模。

復(fù)制剛才算例，進(jìn)入DM，刪除螺栓模型，建立作用面（印記面）和梁模型，梁截面為于安心，直徑。

Step2連接與網(wǎng)格。

進(jìn)入Mechanical中，創(chuàng)建梁上下端點(diǎn)與工件上下工作面的Joint——Fixt運(yùn)動(dòng)副。其余默認(rèn)。

適當(dāng)細(xì)化網(wǎng)格，使工件在厚度方向至少2層單元。

Step3邊界條件。

邊界條件與實(shí)例1相同，預(yù)緊力施加在梁模型上。

Step4結(jié)果后處理。

查看梁工具——直接應(yīng)力。

直接應(yīng)力為，計(jì)算應(yīng)力為

σ=×

與實(shí)例1相同。

當(dāng)然，也可按實(shí)例1中的方法獲得F2，然后計(jì)算應(yīng)力。

特別提示：

在模擬實(shí)際工況時(shí)，由于螺栓預(yù)緊力多為屈服強(qiáng)度的50%~70%，如果按線彈性材料計(jì)算，結(jié)果可能超過屈服強(qiáng)度，所以此時(shí)應(yīng)使用彈塑性模型，比如雙線性彈塑性模型。

（3）中的鉸制孔螺栓剪切與擠壓強(qiáng)度在此就不再演示了，感興趣的請自行研究。

螺栓連接相關(guān)問題在計(jì)算前應(yīng)清楚是否關(guān)心螺栓本身強(qiáng)度，如果不關(guān)心就可以使用無建模——連接——梁代替，以簡化計(jì)算。如果關(guān)心螺栓本身強(qiáng)度，應(yīng)注意有預(yù)緊情況下，計(jì)算應(yīng)力應(yīng)該是總拉力F2的倍除以危險(xiǎn)截面面積，WB的結(jié)果中可以查看F2，但是無法直接求得計(jì)算應(yīng)力，特別是在使用實(shí)體模型時(shí)，應(yīng)剔除應(yīng)力奇異點(diǎn)。

本期解讀了螺栓連接，非線性相關(guān)內(nèi)容快寫完了，下期寫啥暫時(shí)還不知道，敬請期待。

由于圖惜實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)實(shí)在有限，文中也難免紕漏百出，敬請批評指正。

[1]《機(jī)械設(shè)計(jì)》——濮良貴、紀(jì)名剛

[2]《AnsysWorkbench有限元分析實(shí)例詳解》——周炬、蘇金英

[3]ANSYS2022