预紧的螺栓连接在工作中经常承受沿螺栓轴向的载荷,称为轴向工作载荷,该载荷作用于被夹紧件上。轴向工作载荷由被夹紧件和螺栓共同承担,螺栓分担的轴向工作载荷可表示为:
其中FA为轴向工作载荷,FSA为工作载荷引起的螺栓轴向力,Φ称为载荷系数。载荷系数与螺栓的柔度(刚度的倒数)和被夹紧件的柔度有关,可表示为:
这里δS和δP分别为螺栓的柔度和被夹紧件的柔度。
对于载荷系数,《机械零件设计手册》给出了螺栓连接设计的推荐值,如表1所示。
表1 载荷系数推荐值(手册中的刚度系数Kc)
该表仅考虑的联接型式对载荷系数的影响,未考虑结构尺寸及材料的影响。在精细强度校核时,需要根据实际连接参数对被夹紧件的柔度进行计算。
在此之前,先介绍压力锥概念。在预紧的螺栓连接中,螺栓承受轴向拉伸载荷,被夹紧件承受压缩载荷。被夹紧件受压应力作用的区域随距螺栓头距离的增加而增大,其外轮廓近似于旋转抛物面,如图1的实线所示。为简化计算,被夹紧件的压力锥起源于螺栓头的承压区(其直径为dW),沿厚度方向线性变化,与螺栓轴线的夹角为φ,如图1的虚线所示。
图1 被夹紧件压力锥示意图
对于该压力锥的柔度计算,VDI 2230给出了解析方程,如下式所示:
这里dh为螺栓孔直径,lV为压力锥高度,EP为材料的弹性模量。该公式看起来比较复杂,难以看出其具体的推导过程。为验证其准确性及适用范围,这里给出了数值积分的计算结果,数值积分公式如下:
图2给出了VDI 2230提供解析公式,数值积分法的曲线比较,锥体角度从20°增加到70°范围内。此外,图中还给出了CETIM Cobra提到的计算公式。
图2 被夹紧件柔度随锥体角度的变化规律
从图2中可以看出,随着锥体角度的增加,夹紧紧的柔度逐渐降低,这是因为角度越大,受压区域越大,其拉伸刚度越大,柔度也就越小。VDI2230解析方程与数值积分数据完全吻合,该方程可能采用符号推导软件(譬如Mathematics)得到的解析解。CETIM给出的计算公式在30°时与数值积分结果一致,其他角度有一定程度的偏差,最大偏差约10%。
解析方程虽然使用方便,但对于不规则的连接几何(譬如,椭圆孔,非完整回旋体等)很难进行精确求解。BoltWorks软件对螺栓和被夹紧件的拉压柔度及弯曲柔度均采用数值积分的方法进行求解,以适应复杂的螺栓连接结构。
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