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CAE工程分析 | 螺纹连接：工程校核考虑

王聪

1年前浏览6568

前文回顾：

CAE工程分析 | 螺纹连接：从现象出发1

CAE工程分析 | 螺纹连接：从现象出发2

01 前言

记得群里一位前辈说过：使用有限元进行力学分析的优点是能够得到结构各处详细的应力分布，但是缺点也是如此。

仔细想来确是这样。

力学分析强调的是突出主要矛盾，当对一个结构背后的工程问题不了解时，盲目去进行有限元分析，虽然能够得到各种云图和曲线结果，但是却不知道参考哪些结果，参考哪些位置的结果，按照什么准则进行参考，甚至不知道如何判断计算结果是否合理。

因此，在探索如何使用CAE分析工具处理和校核螺纹连接之前，首先需要了解工程校核中对于螺纹连接一般需要考虑哪些内容，这些内容的学习可以帮助我们更加全面深入地了解螺纹连接的要点。

文章主要参考书籍：《螺纹紧固件联接工程》-酒井智次。

02 校核考虑

拧紧（预紧）状态

为了让螺栓起到正常的连接作用，首先需要将螺栓拧紧，使得被连接件紧密相连。在这个过程中，如果单独拿出螺栓部分，可以观察到螺栓主要受到两种载荷作用：

①轴向预紧载荷F

②螺纹扭矩载荷Ts

轴向预紧力载荷大家相对比较容易理解，螺母的旋转运动会通过螺纹使得螺栓杆产生轴向伸长（斜面原理），这样螺栓由于伸长会在内部产生拉力载荷，当拉力载荷达到我们预期的夹紧程度时会称为预紧力F。

螺纹扭矩载荷产生的原因是由于：螺栓预紧过程中，螺母和螺栓的啮合螺纹之间会产生较大的接触压力，而接触压力fN的作用会直接导致沿着螺纹啮合方向摩擦力fs的产生，由于摩擦力是绕着螺栓圆周分布，因此会产生扭矩载荷Ts，而Ts（螺纹扭矩）=T（施加扭矩）-Tw（支撑面扭矩）

此时螺栓杆表面的等效应力σeq的计算包含：

①预紧力F产生的拉应力σ

②螺纹扭矩Ts产生的扭转切应力τ

如果这个过程中螺栓主要表面发生了屈服，那么轴向预紧力F和施加扭矩T将出现非线性关系，因此使用扭矩法拧紧螺栓时，必须避免螺栓主要表面的屈服，并且一旦表面发生屈服，螺栓在后续受载继续产生塑性变形的话，非旋转松动较容易产生。

按照《螺纹紧固件联接工程》，对于施加预紧的螺栓需要满足：

螺栓光杆表面应力＜材料屈服强度（不发生塑性变形）

轴向受载状态

现在假设螺栓受到大小为P的轴向载荷（被连接件未发生分离），结合之前的文章，外载实际是同时由螺栓和被连接件共同分担，如图所示：

其中Φ为内力系数=KB/(KB+KC)，表示螺栓刚度占螺栓连接体系刚度的比率；FB表示螺栓轴力；FC表示被连接件夹紧力。

此时螺栓受到的载荷主要包含：

①螺栓轴力FB=F+Φ*P

②衰减的螺纹扭矩载荷T‘=k*T

对应地会产生螺栓正应力σ和切应力τ

按照机械设计手册和VDI2230校核要求，对于承受轴力载荷的螺栓需要满足：

螺栓光杆表面应力＜材料屈服强度（不发生塑性变形）

如果有密封压力要求，则还需要满足：

被连接件夹紧压力＞密封压力（不发生泄露）

同时可以观察到，只要被连接件还处在被压紧（未分离）的状态，大部分轴向外载荷实际都是由被连接件分担，也就是说：

如果螺栓受到轴向循环载荷作用，螺栓中的应力波动只有Φ*P，而对于螺栓疲劳问题而言，波动幅值的影响远远大于平均应力水平，因此：

按照《螺纹紧固件联接工程》，对于螺栓的拉伸疲劳问题需要满足：

①被连接件夹紧力＞0（被连接件不发生分离）

②螺栓应力幅＜螺栓拉伸疲劳极限（不发生拉伸疲劳）

【需要注意一点，螺栓的拉伸疲劳极限不仅仅是指对应材料的疲劳极限，而是考虑缺陷，应力集中等因素（缺口系数）共同影响的疲劳极限值】

假设轴向载荷P较大，使得被连接件发生分离，如图所示：

则此时所有的外载增量都会叠加到螺栓上，而螺纹扭转切应力也会衰减甚至消失，螺栓主要受到的载荷为轴向拉力P

按照《螺纹紧固件联接工程》，对于单次轴向过载需要满足：

螺栓拉应力＜材料抗拉强度（不发生拉伸断裂）

切向受载状态

现在假设螺栓连接在切向受到大小为Q的轴向载荷（未发生滑移），根据之前的文章，被连接件表面由于夹紧力的作用会产生摩擦阻力，如图所示：

剪切载荷小于被连接件之间的摩擦系数时，被连接件不会发生相对滑移，螺栓的轴向预紧力也不会受到太大影响，因此螺栓主要受到的载荷为：

①螺栓轴力F

②衰减的螺纹扭矩载荷T‘=k*T

按照《螺纹紧固件联接工程》，对于承受切向循环载荷的螺栓需要满足：

被连接件摩擦力＞横向剪切力（不发生滑移）

当被连接件不发生相对滑移时，反复横向剪切作用下，螺栓的旋转松动也不会发生，因此一般会根据该准则来选择最小的轴向预紧力载荷。

如果横向剪切力使得被连接件发生较大滑移，但是是一次性的，那么由于滑移作用的产生会直接导致螺栓产生大的弯曲变形，此时预紧力会部分或者全部衰减，螺栓主要受力为剪切力Q

按照《螺纹紧固件联接工程》，对于单次切向过载需要满足：

螺栓剪切应力＜材料剪切强度（不发生剪切断裂）

轴向+切向受载状态

按照上述分析内容，如果螺栓同时受到轴向和切向荷载的作用：

由于在被连接件未滑移之前，切向载荷都被连接截面的摩擦力抵消掉，因此螺栓的应力校核与未受切向载荷时候相同。

但是，由于轴向载荷会使得夹紧力减小为FC，因此需要通过剩余预紧力得到的界面摩擦力来计算需要提供的螺栓预紧力。

其它内容

上述只是针对螺栓部分中最基本的校核内容进行了说明，实际螺栓详细的校核内容考虑因素非常之多。

包括螺栓的非旋转松动，旋转松动，螺纹脱扣，被连接件表面压溃，偏心受载（弯曲载荷），以及考虑温度，粗糙度，倾斜量影响等等，这些内容的掌握建议大家系统性的参照书籍和标准进行学习。

来源：仿真求知之路

VDI2230 疲劳断裂非线性材料螺栓

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首次发布时间：2022-11-29