螺栓疲劳强度计算方法的对比与选择

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1、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京100083)摘要：介绍了月X的螺栓联接进行疲劳强度计算的儿利 ：按島量小应力保持不变计算、按照应力幅汁算、按照应力比保持不芟计算、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。关健制：螺栓联接；疲劳强度；讣算方法中图分类：THI31.3文献标识码：A 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 Chin

2、a Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 承受交变我荷作用的螺栓联接，其失 效形式主耍为疲劳破坏，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，还须进彳f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，也不会在循环戯荷卜发生披劳破坏。本 文将对现冇的螺栓疲另强度的计算方法作一介绍，并加以比较。1螺栓的受力分析绝大多数螺栓联接都是紧联接，在承 受预紧力凡作用的同时，还承受由0到f2 循环变化的脉动工作戯荷，典型脉动工作 载荷变化图参见图1。 1994-2010 China

3、 Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 时何图1螺栓工作拉力传变化示盘图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 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几公 减少至殁余预紧力件，其变化示

4、意图如图2所示。嚟栓受到的总拉力人等j:残余预紧力 片与工作拉力代之和。总拉力化的计算公 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 凿岩机械气动工具，2005(4) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

5、 reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 式为:盼民 式中Fy螺栓的总拉力 n螺栓的预紧力 耳螺栓的工作拉力 g螺栓的刚度Cm彼联接件的刚度图2螺栓内部残余预紧力人变化示总图严称为螺栓的相对刚度，其取值G + 4（1）由垫片材料决定。一般推荐下列数据：金属 垫片或无垫片0.20.3,皮革

6、垫片0.7,铜皮石棉垫片0.8,橡胶垫片0.9叫曲式（1）可以看到，总拉力几由凡到化唤变化，总拉力佗的变化示意图如图3 所示。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All righ

7、ts reserved, 2螺栓疲劳强度计算与校核的 方法简介2.1按照最小应力保持不变计篦疲劳强度 由图3可以看出，螺栓承受拉力最小值 保持不变，由（r = HA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LJI,2005（4）即”祇二C对螺栓进行疲劳强度计算。其疲 劳强度计算的强度公式为21 + （人0r）nin $ 川（仏+如（2叭+久讪）_ 1式中g计算安全系数O-I材料对称循环拉丿卞疲劳极限,具体值可由下式计算得出|n许用安全系数，对螺栓联接.n = 1.2 2.00.23(”,+ 6)见文献2 你材料的抗拉强度极限，貝体值 可杳机械设计手册吐一材料的屈

8、服强度极限，貝体值 可査机械设计手册优一应力折算系数疲劳极限的综介影响系数s许用应力鴨“J = r 7八r心按应力邮计算时的许用安全 系数，对螺栓联接，%= 1.5-2.5其他参数意义同上。满足式(3)条件即为满足披劳强度耍求。 另外，还有一种按照应力幅进彳f计算的 公式(4) 式中6循环拉应力的应力禍 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

9、l rights reserved, 其中 L自效应力集屮系数，貝体值可査文献山%尺寸系数，具体值可査文献山 氏一表而质彊系数，具体值可査文 献山札强化系数，具体值可査文献山 叭循环拉应力的应力幅许用应力幅，同上满足式(4)条件即为満足疲劳强度耍求。2.3按照应力比保持不变计算疲劳强度 还有一种螺栓披劳强度计算的方法，即按照应力比舲保持不变进行计算(5) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Elect

10、ronic Publishing House. All rights reserved, 式中乞参数意义同上 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, (3)(6) 应力应变疲劳分析材料参虽疲劳婷命 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

11、House. All rights reserved, 图5基JF限元分析结果的疲劳寿命分析流程图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 3各种计算方法的应用实例螺栓联接疲劳强度的儿种計算方法，各 有所长,实际进行疲劳强度计算时，应根据 螺栓联接的小:农性程度、我荷情况选用适半 的计算方法以保证螺栓联接的

12、安全性。F 面为悔个应用实例：实例1:某一气缸孟螺栓联接，真屮螺 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 凿岩机械气动工A,2005（4） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 栓

13、直径为 14 mm0. = 210 N/mnr,cra = 19.55 N/inni2, Aa = 4.4,0.15 ,（rnun = 83.06N/mm2，/VJ = 1.5O在完全相同的前提下, 分别采用方法1、2、3对螺栓进行疲劳强度 校核，考虑到规律性我荷是非规律性我荷 的一种持例也采用方法4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心1瑕小应力保持不变1.392应力啊1.633应力比保持不变2.074疲劳损伤累积假说172实例2：大熨模锻水压机立机端的螺栓 联接，其中螺栓宜径950 nim.a., = 196N/ mnr, atl = 14.41 N/mm2= 5.5

14、6 妙。=0.35 0. = 40.87N/mnr,ny= 1.5o 在已知条件相同的前提下，采用方法1、2、3、4进行计算，得到的安全系数分别为计算方法计算安全系数心1最小应力保持不变1.452应力幅1.613应力比保持不变1.944疲劳损伤累枳假说2.81ih上而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1）的计算安全系 数垠小；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;按照应力幅进彳j彼劳强度计算（即方法2） 的计算安全系数居中.故方法1的计算结 果偏F安全；方法3的计算结果偏危险, 方法2的计算结果居中。4结束语（1）

15、对J：承受单向稳定交变应力作用 的螺栓疲劳计算，应根据螺栓联接的重耍 性程度、载荷情况选用适当的计算方法。对 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1,即按照垠小应力保 持不变进行疲劳强度计算;对于机械设备 中一股性的螺栓疲劳强度的计算和校核， 应该选用方法2,即按照应力邮进行疲劳 强度计算；对不匝耍的螺栓联接疲劳强度 的计算和校核，应选用方法3 即按照hx力 比保持不变进行疲劳强度计算。（2）对r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4）,即 米Miner ）?则，进行疲劳计算。（3）用有限尤法对交变载荷作用下螺 栓疲劳寿命的计算（方法5）,可以利用有

16、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 在有眼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，今后应加強这 方而的研究，推广用冇限元法对螺栓进彳f 疲劳寿命的分析。参考文献：1 濮良贵,纪名剧.机械设计M .北京:高等教育 出版社，20032|徐鍬.疲劳强度设it|Ml.北京：机械匸业出版 社,19813 刘莉莉，张徳橡.螺栓疲劳强度汁克的再分析IJ.焦作矿业学院学报,1995.4,55-61|4）陈建IN ,杜培徳.周桂莲.螺栓联结受外压力作 用时的力学计算J.讦需科技大学学报， 2003.12.534-536|5霍福样.螺栓头部过渡圜角应力状态的

17、仃限元 分析J.汽车工艺与材料,1999.7,41-42|6薜强苗徳华.钢轨接头螺栓的佇限元应力集 中分析J .佚逍标准设计，2004.4.70-737光晒光主编.ANSYS 丁程应用实例解析M.北 京：机械工业岀版社,2003.4（收稿日期；2005-09-18） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 1()雷岩机械气动工M,2005（4） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,