螺栓連接的原理,參數(shù)及公式計算分析概述1螺栓連接的原理發(fā)動機裝配是發(fā)動機生產(chǎn)中至關(guān)重要的一部分，而螺紋連接是裝配的重要一環(huán)，因此螺栓連接的可靠性也就決定了發(fā)動機性能的可靠性。隨著現(xiàn)在發(fā)動機的多樣性發(fā)展，這對螺栓連接的要求就更加的高了。在一臺發(fā)動機中，至少有300顆以上的連接螺栓，也就是說在發(fā)動機中螺栓連接的可靠性是至關(guān)重要的！螺栓受到拉伸力，扭轉(zhuǎn)力有時還會受到剪切力。螺栓上的扭轉(zhuǎn)力是由螺栓和螺母之間的摩擦力引起的。當螺栓被擰到設(shè)計要求的扭矩或角度時受到的載荷我們稱之為預(yù)加載荷。螺栓的拉伸載荷等于連接件中的夾緊力。當外部載荷小于夾緊力時螺栓上的拉伸載荷不會改變。相反，如果連接件受到大于預(yù)加載荷的外力時連接件會分離，螺栓上的拉伸力會增加直到螺栓斷裂。當外部載荷克服連接件中由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力導(dǎo)致部件之間產(chǎn)生相對位移時螺栓會受到剪切力的作用。合理的螺栓設(shè)計應(yīng)該可以使連接件部件之間產(chǎn)生足夠的摩擦力來克服外部剪切力。這種連接件我們稱之為摩擦連接件。如果夾緊力不能產(chǎn)生足夠的摩擦力，螺栓就會受到剪切力。螺栓在設(shè)計時應(yīng)考慮夾緊力是否足以克服外部載荷，是否可以在受外部沖擊載荷時依然可以使連接件保持穩(wěn)定。我們想要的是夾緊力但問題是沒有適應(yīng)實際生產(chǎn)過程需要的檢測夾緊力的方法。因此我們通常用擰緊扭矩來代替夾緊力。在螺栓的彈性拉伸范圍內(nèi)夾緊力和螺栓擰過的角度及螺紋的螺距是成線性比例關(guān)系的，因此在螺栓的彈性拉伸范圍內(nèi)夾緊力和擰緊扭矩也是直接相關(guān)的。然而，僅有約10%的扭矩轉(zhuǎn)化成夾緊力。其余的扭矩被螺栓連接時的摩擦力消耗-40%的扭矩用來克服螺紋副中的摩擦力，-50%的扭矩用來克服螺栓頭下表面的摩擦力。在機械聯(lián)接結(jié)構(gòu)中，螺栓聯(lián)接由于具有結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、標準化等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。為保證其聯(lián)接可靠性，通過對螺栓聯(lián)接施加預(yù)緊扭矩從而產(chǎn)生預(yù)緊力將螺紋擰緊是最常用的預(yù)緊方法。但預(yù)緊扭矩的大小需適當控制，過大的扭矩會增大螺栓的應(yīng)力，過小的扭矩則會降低螺栓聯(lián)接的可靠性。2Enginemodel建立建立三維模型第一步，我們在permas軟件中建立發(fā)動機與螺栓的三維模型：如圖所示，這是整體模型和（10個）螺栓。根據(jù)試驗的設(shè)計，在模型中建立各個部件。現(xiàn)在草圖模式中畫出各個部件的平面2D圖，然后通過拉伸等特征操作建立成三維模型。其中各個部件按照一定的順序裝配起來，形成一個裝配體。要注意的是，在配合關(guān)系中需要保證螺栓與孔的同軸配合。網(wǎng)格劃分在建立三維模型后，我們要開始有限元分析軟件很重要的一步——網(wǎng)格化處理。網(wǎng)格化處理可以大致分成六步：分割——拓撲修改——網(wǎng)格控制——選擇網(wǎng)格密度——檢查網(wǎng)格質(zhì)量。其中螺栓是有限元分析的重點部分。在網(wǎng)格劃分時，需要考慮到應(yīng)力集中出應(yīng)該需要有更高密度的網(wǎng)格單元，設(shè)置較小密度的單元，進行局部加密，從而確保分析的準確度。網(wǎng)格模型如圖：（節(jié)點數(shù)：1689011，單元數(shù)：1295918）定義約束和邊界條件我們在用有限元分析軟件時，約束和邊界條件都必須準確，因為這是在模擬真實情況下，物體在某種環(huán)境下的受力與變形情況。因此所受載荷的大小與方向、約束的位置和邊界條件都直接決定了最后分析結(jié)果的準確性。所以我們在軟件中所設(shè)置的約束和邊界條件都應(yīng)該盡量與真實環(huán)境相符。在這里我們對模型設(shè)置了單點約束，如圖：SPC（singlepointconstraint）單點約束接觸面定義3螺栓連接參數(shù)與計算本文針對承受軸由一個螺栓、一個螺母、兩向力的單個螺栓聯(lián)接進行分析，聯(lián)接個套筒組成。螺栓螺紋規(guī)格為M20×2.5，材料為碳鋼，強度等級為6.8級。兩個套筒的尺寸相同，內(nèi)徑為22，外徑為40，高度為50，材料為45鋼。預(yù)緊力矩的計算公式為：式中：F0——預(yù)緊力D——螺栓公稱直徑對于一般聯(lián)接用的螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力F0，可按下列關(guān)系確定：碳素鋼螺栓（1）合金鋼螺栓（2）式中：σs———螺栓材料的屈服極限；As———螺栓危險截面的面積。螺栓危險截面積的計算公式為：計算兩個套筒的組合剛度對于碳素鋼螺栓，預(yù)緊力系數(shù)可取0.6，對于6.8級強度的螺栓，其屈服強度為480MPa，危險截面為小徑d1（17.294mm），經(jīng)計算預(yù)緊力大小為67651N。對于M10~M64的粗牙普通螺紋鋼制螺栓，預(yù)緊扭矩等于預(yù)緊力與螺栓公稱直徑乘積的0.2倍，經(jīng)計算得預(yù)緊扭矩271Nm。在分析模型中，預(yù)緊力施加在螺栓長度的中間截面上，摩擦系數(shù)0.15。分析模型中鋼的彈性模量206GPa，泊松比0.3。套筒軸向組合剛度的有限元分析模型。經(jīng)有限元計算，套筒兩端軸向變形.套筒兩端的相對軸向變形為：套筒的組合軸向剛度為：計算螺栓的剛度若手工計算螺栓的軸向剛度，則對于螺栓頭及螺母的影響無法準確考慮，因此采用有限元計算螺栓的剛度是比較準確的，在螺栓頭及螺母內(nèi)側(cè)端面分別施加67651N的均布載荷。經(jīng)有限元計算，螺栓兩端的軸向變形如下，螺栓兩端的相對軸向變形為：（3）螺栓的軸向剛度為：（4）計算螺栓工作時的應(yīng)力假定螺栓承受的軸向工作力F為10000N，螺栓在預(yù)緊力與工作力共同作用下的分析模型如圖6。由于螺栓中間截面施加了預(yù)緊力，而螺栓頭與螺母位置的應(yīng)力受到接觸變形的影響，為了便于通過手動計算校核應(yīng)力分析結(jié)果，因此在距離螺母內(nèi)側(cè)端面25mm（套筒的中間位置）的位置截取螺栓橫截面的等效應(yīng)力，選定的螺栓橫截面上的平均等效應(yīng)力σ1為223.014MPa。根據(jù)機械設(shè)計教材中計算螺栓總拉力的計算公式，得總拉力為：（5）螺栓的橫截面積為：（6）螺栓的橫截面平均計算拉應(yīng)力為：（7）有限元計算應(yīng)力與理論計算應(yīng)力的相對誤差為：（8）螺栓殘余預(yù)緊力的計算由機械設(shè)計教材可知，螺栓承受軸向工作力時的力與變形的關(guān)系，螺栓的殘余預(yù)緊力為：（9）由式（9）可知，殘余預(yù)緊力比工作力10000N大，該螺栓連接可用于不穩(wěn)定的工作載荷。螺栓強度的校核由機械設(shè)計教材可知，校核螺栓靜強度時，若考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，則需要將螺栓總拉力增加30%，故該螺栓危險截面的拉伸應(yīng)力為：（10）對于靜強度校核，安全系數(shù)可取為1.2，則許用強度為：（11）由于σca<[σ]，因此螺栓靜強度滿足強度要求。對于螺栓疲勞強度，由于影響因素較多且與實際結(jié)構(gòu)尺寸及加工精度等密切相關(guān)，本文