螺栓连接的设计
螺栓连接的设计
1 引言
本章主要介绍螺纹连接在当今社会所处的重要地位，国内外的研究情况，以及作此设计的前景、目的和意义。
1.1 绪论
本次毕业论文研究的主要问题是—在强度理论基础之上就螺纹连接的疲劳强度计算及力学行为有限元分析进行研究。为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高其劳动生产率等，广泛地应用各种连接，螺栓连接、键连接、销连接、铆连接、焊接、胶接、过盈连接，等连接。因为其经济性，方便性，可靠性，最常用，用的最广，因而研究其在不同工作情况下的疲劳强度对于提高连接的可靠性，安全性，机械整体的性能，整个机械行业乃至整个国民经济的增长具有重要的意义。在冶金，矿山，工程，运输等机械设备中，承受变载荷的螺纹连接广泛地应用着，因而研究其疲劳强度计算分析是十分必要和有实用价值的。本论文有两方面的任务一是螺纹连接的设计及疲劳强度的计算，二是对影响螺纹连接疲劳强度的因素进行分析，先以汽缸螺栓连接实例展开设计及疲劳强度的计算，再对锥形管螺纹连接的力学行为进行有限元分析，最后就此得出螺纹连接力学行为的一般规律。
1.2 研究背景
从螺纹的出现开始螺纹就被广泛应用于机械领域，它的产生使工业有了飞速的发 展。它用途非常广泛，从飞机、汽车到我们日常生活中所使用的水管，煤气管等都大量地使用螺纹，多数螺纹起着紧固连接的作用，其次是用来作力和运动的传递，还有一些专门用途的螺纹，其种类虽多，但其数量都是有限的。螺纹的使用所以能经久不衰都是由于它具有结构简单、性能可靠、拆卸方便、便于制造等特点，使之成为当今各种机电产品中不可缺少的结构要素。螺纹普遍用于机械设备中，其品种繁多,用途十分广泛，所以分类也多种多样。若按照螺纹所在表面可分为内螺纹和外螺纹；按照螺纹头数可分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹；按照旋向可分为左旋螺纹和右旋螺纹；按照螺纹直径是否变化可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。另外,还可以按照用途和牙型特点等来分，可分为联接螺纹和传动螺纹两大类。用于联接的螺纹称为联接螺纹，其特点是牙型均为三角形。常用的有普通螺纹与管螺纹两种。螺纹主要用在传动和联接两个方面。由螺纹实现的传动又称为螺旋传动，一般用来将旋转运动转变为直线运动，要求传动的效率要高。用螺纹实现的联接称为螺纹联接，要求传动效率要低。螺纹联接是应用最广的一种可拆联接，螺纹联接具有构造简单、装拆方便、成本低廉等优点。
1.3 研究问题
螺纹联接部位的受力分布在很大程度上决定着螺纹联接的承载能力。研究螺纹联接力学行为的关键就是计算螺纹联接的受力分布以及每圈螺纹牙的受力和变形。但是,对于螺纹联接力学行为方面的研究尚不深入，需要进行深入的研究。在上扣和受拉过程中，管体和接箍螺纹牙上的受力分布极其复杂，其中包括：径向接触压力、轴向接触压力、沿齿面的径向摩擦力、沿齿面的周向摩擦力等等，这些作用力的大小和方向各不相同、相互牵制、相互影响，形成了十分复杂的力系组合。在这样复杂的力系作用下，内、外螺纹牙在径向、周向及轴向上都会发生变形，这种变形又反过来影响受力过程，使得螺纹牙齿面上呈现十分复杂的应力和变形分布。此外,虽然从宏观上看螺纹牙是面接触，但是微观上螺纹牙齿面接触状态和受力分布也很复杂。螺纹联接发生的粘扣失效现象正是在这样的复杂接触、复杂力系、复杂应力、复杂变形作用下形成的。通过本文的研究，研究结果可以为螺纹联接的设计应用的进一步深入研究提供理论支持。
1.4 螺纹联接结构的国内外研究概况
1.4.1 国外螺纹联接研究现状
螺纹联接作为基本的紧固件被广泛用于机械和工程结构。然而，在螺纹根部存在着严重的应力集中，它是许多螺栓接头破坏的主要原因。分析螺纹牙上的载荷分布将为进一步研究应力集中，裂纹的产生和扩展，以及最终的破坏提供最基本的研究基础。自从DenHartog在1929年通过实验首先测得了涡轮刀片螺栓应力分布，在分析螺纹联接结构的载荷分布和应力分布方面取得了一系列进展。到目前为止，所有的研究方法大致可以分成三种：实验法，解析法，有限元法。Goodierf通过直接测量螺栓外径的变形确定沿螺纹方向的载荷分布。Stoechy和Macke测量了螺纹轴向位移，通过适当的转换，测得了螺纹轴向载荷分布。他们的研究也表明，螺栓和螺母之间的摩擦系数对螺纹牙载荷分布的影响很小。有限元法是螺纹力学研究的最有效方法之一，这方面的研究报道很多。Assanelli和Dvorkin[5]在1993年对不同的油套管螺纹联接进行了有限元分析，计算了油套管螺纹联接中载荷的分布情况，为改善油套管螺纹的设计和制造提供了依据。Tanaka， Miyazarna和Hongol用有限元法分析了带有紧固板的螺栓螺母连接，分析了多个面接触的螺栓螺母接头螺纹牙载荷分布，并通过改变螺距、牙型角和螺母受力面来研究对载荷分布的影响，这种方法也适合于分析螺纹联接的弹塑性问题。
1.4.2 国内螺纹联接研究现状
在国内也有许多的螺纹连接的数值研究。习俊通，聂钢，梅雪松[6-7]等根据套管螺纹接头的结构和受力特点，基于接触问题的有限元混合法和面向对象的程序设计思想，建立了套管接头螺纹旋合时接触的有限元分析模型，编制了相应的程序，并以此对三种载荷条件下载荷在螺纹牙上的分布进行了研究，结果表明，载荷分布的不均匀性对套管螺纹接头的联接性能有重要的影响。高连新、金烨、史交齐根据弹塑性力学理论建立圆螺纹套管接头的计算模型，利用有限元分析和全尺寸实验相结合的方法，详细分析套管接头在使用工况(包括上扣，上扣后加拉伸载荷，上扣后加内压载荷等)下的应力分布规律，指出载荷在各个螺纹牙上分布的不均匀性是制约套管接头性能的主要原因，提出改进接头应力状态，减少应力集中的主要措施。高连新，金烨，张刻根据套管螺纹的结构和受力特点，建立了套管接头在轴向拉力作用下的计算模型，分析了载荷在各螺纹牙上的分布特点。在此基础上提出了优化套管螺纹载荷分布特性、减小应力集中的具体方法，并依据实用性，从螺纹的加工方便考虑，提出了外螺纹全部和内螺纹大部分保持螺距不变，仅对内螺纹两端2-4牙螺纹变化螺距的近似优化方案。这样可以明显降低螺纹的峰值应力，减小应力集中现象，使载荷在各个螺纹牙上的分布更加均匀合理。通过有限元法模拟了优化方法的效果，验证了这种方法的可行性。为套管生产改进螺纹设计提供了理论依据。
1.5 前景展望
伴随着计算机技术的发展和各种分析软件的成熟，ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARK、ALGOR以及ADINA等为代表的一系列分析软件的不断完善，运动仿真技术的发展使其理论分析有了更加坚实可靠的手段和依据，使得其更加接近真实情况，各种仿真软件和分析系统的日趋完善使得对螺纹连接强度的分析计算更加科学，可信。螺纹联接部位的受力分布在很大程度上决定着螺纹联接的承载能力。
1.6 研究的目的意义
螺纹连接的在各种设备及机械中广泛应用，连接的可靠性，安全性事关生命及整个国民经济的发展，可靠，严密的而强度理论研究是生产高强度，高质量的零部件的前提，可靠的连接是机械设备及其零部件正常，安全，高效工作的必然要求，所以进行螺纹连接强度的设计计算分析是发展生产的必然要求具有重大的理论和现实意义。
2 螺纹连接设计的理论知识
2.1 连接的类型
为了便于机器的制造安装运输维修以及提高劳动生产率，机器中广泛使用连接。 机械零件之间的连接分为：机械静连接与机械动连接。在机器工作时，被连接的零部件间不允许产生相对运动的连接称为机械静连接，而机械动连接指的是可以有相对运动的连接。例如：运动副。本课题研究的连接主要是静连接。
2.2 常用螺纹的类型、特点和应用
按螺纹的位置，螺纹分为内螺纹和外螺纹；按螺旋线绕行方向分为左旋螺纹和右旋螺纹；按直径是否变化还分为圆柱螺纹，圆锥螺纹；按按牙型的不同分为普通螺纹：效率低，易自锁，多用于连接。矩形螺纹，梯形螺纹和锯齿型螺纹：传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。此外，还有管螺纹：主要用于管路的连接。
2.3 普通螺纹的主要参数
图2.1螺纹的主要几何参数
在图2.1中：
大径d－即螺纹的公称直径。
小径d1－常大用于连接的强度计算。
中径d2－常用于连接的几何计算。
螺距P－螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。
牙型角a－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。
升角y－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。
线数n－螺纹的螺旋线数目。
导程S－螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。
升角y的计算式为：
1 引言
本章主要介绍螺纹连接在当今社会所处的重要地位，国内外的研究情况，以及作此设计的前景、目的和意义。
1.1 绪论
本次毕业论文研究的主要问题是—在强度理论基础之上就螺纹连接的疲劳强度计算及力学行为有限元分析进行研究。为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高其劳动生产率等，广泛地应用各种连接，螺栓连接、键连接、销连接、铆连接、焊接、胶接、过盈连接，等连接。因为其经济性，方便性，可靠性，最常用，用的最广，因而研究其在不同工作情况下的疲劳强度对于提高连接的可靠性，安全性，机械整体的性能，整个机械行业乃至整个国民经济的增长具有重要的意义。在冶金，矿山，工程，运输等机械设备中，承受变载荷的螺纹连接广泛地应用着，因而研究其疲劳强度计算分析是十分必要和有实用价值的。本论文有两方面的任务一是螺纹连接的设计及疲劳强度的计算，二是对影响螺纹连接疲劳强度的因素进行分析，先以汽缸螺栓连接实例展开设计及疲劳强度的计算，再对锥形管螺纹连接的力学行为进行有限元分析，最后就此得出螺纹连接力学行为的一般规律。
1.2 研究背景
从螺纹的出现开始螺纹就被广泛应用于机械领域，它的产生使工业有了飞速的发 展。它用途非常广泛，从飞机、汽车到我们日常生活中所使用的水管，煤气管等都大量地使用螺纹，多数螺纹起着紧固连接的作用，其次是用来作力和运动的传递，还有一些专门用途的螺纹，其种类虽多，但其数量都是有限的。螺纹的使用所以能经久不衰都是由于它具有结构简单、性能可靠、拆卸方便、便于制造等特点，使之成为当今各种机电产品中不可缺少的结构要素。螺纹普遍用于机械设备中，其品种繁多,用途十分广泛，所以分类也多种多样。若按照螺纹所在表面可分为内螺纹和外螺纹；按照螺纹头数可分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹；按照旋向可分为左旋螺纹和右旋螺纹；按照螺纹直径是否变化可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。另外,还可以按照用途和牙型特点等来分，可分为联接螺纹和传动螺纹两大类。用于联接的螺纹称为联接螺纹，其特点是牙型均为三角形。常用的有普通螺纹与管螺纹两种。螺纹主要用在传动和联接两个方面。由螺纹实现的传动又称为螺旋传动，一般用来将旋转运动转变为直线运动，要求传动的效率要高。用螺纹实现的联接称为螺纹联接，要求传动效率要低。螺纹联接是应用最广的一种可拆联接，螺纹联接具有构造简单、装拆方便、成本低廉等优点。
1.3 研究问题
螺纹联接部位的受力分布在很大程度上决定着螺纹联接的承载能力。研究螺纹联接力学行为的关键就是计算螺纹联接的受力分布以及每圈螺纹牙的受力和变形。但是,对于螺纹联接力学行为方面的研究尚不深入，需要进行深入的研究。在上扣和受拉过程中，管体和接箍螺纹牙上的受力分布极其复杂，其中包括：径向接触压力、轴向接触压力、沿齿面的径向摩擦力、沿齿面的周向摩擦力等等，这些作用力的大小和方向各不相同、相互牵制、相互影响，形成了十分复杂的力系组合。在这样复杂的力系作用下，内、外螺纹牙在径向、周向及轴向上都会发生变形，这种变形又反过来影响受力过程，使得螺纹牙齿面上呈现十分复杂的应力和变形分布。此外,虽然从宏观上看螺纹牙是面接触，但是微观上螺纹牙齿面接触状态和受力分布也很复杂。螺纹联接发生的粘扣失效现象正是在这样的复杂接触、复杂力系、复杂应力、复杂变形作用下形成的。通过本文的研究，研究结果可以为螺纹联接的设计应用的进一步深入研究提供理论支持。
1.4 螺纹联接结构的国内外研究概况
1.4.1 国外螺纹联接研究现状
螺纹联接作为基本的紧固件被广泛用于机械和工程结构。然而，在螺纹根部存在着严重的应力集中，它是许多螺栓接头破坏的主要原因。分析螺纹牙上的载荷分布将为进一步研究应力集中，裂纹的产生和扩展，以及最终的破坏提供最基本的研究基础。自从DenHartog在1929年通过实验首先测得了涡轮刀片螺栓应力分布，在分析螺纹联接结构的载荷分布和应力分布方面取得了一系列进展。到目前为止，所有的研究方法大致可以分成三种：实验法，解析法，有限元法。Goodierf通过直接测量螺栓外径的变形确定沿螺纹方向的载荷分布。Stoechy和Macke测量了螺纹轴向位移，通过适当的转换，测得了螺纹轴向载荷分布。他们的研究也表明，螺栓和螺母之间的摩擦系数对螺纹牙载荷分布的影响很小。有限元法是螺纹力学研究的最有效方法之一，这方面的研究报道很多。Assanelli和Dvorkin[5]在1993年对不同的油套管螺纹联接进行了有限元分析，计算了油套管螺纹联接中载荷的分布情况，为改善油套管螺纹的设计和制造提供了依据。Tanaka， Miyazarna和Hongol用有限元法分析了带有紧固板的螺栓螺母连接，分析了多个面接触的螺栓螺母接头螺纹牙载荷分布，并通过改变螺距、牙型角和螺母受力面来研究对载荷分布的影响，这种方法也适合于分析螺纹联接的弹塑性问题。
1.4.2 国内螺纹联接研究现状
在国内也有许多的螺纹连接的数值研究。习俊通，聂钢，梅雪松[6-7]等根据套管螺纹接头的结构和受力特点，基于接触问题的有限元混合法和面向对象的程序设计思想，建立了套管接头螺纹旋合时接触的有限元分析模型，编制了相应的程序，并以此对三种载荷条件下载荷在螺纹牙上的分布进行了研究，结果表明，载荷分布的不均匀性对套管螺纹接头的联接性能有重要的影响。高连新、金烨、史交齐根据弹塑性力学理论建立圆螺纹套管接头的计算模型，利用有限元分析和全尺寸实验相结合的方法，详细分析套管接头在使用工况(包括上扣，上扣后加拉伸载荷，上扣后加内压载荷等)下的应力分布规律，指出载荷在各个螺纹牙上分布的不均匀性是制约套管接头性能的主要原因，提出改进接头应力状态，减少应力集中的主要措施。高连新，金烨，张刻根据套管螺纹的结构和受力特点，建立了套管接头在轴向拉力作用下的计算模型，分析了载荷在各螺纹牙上的分布特点。在此基础上提出了优化套管螺纹载荷分布特性、减小应力集中的具体方法，并依据实用性，从螺纹的加工方便考虑，提出了外螺纹全部和内螺纹大部分保持螺距不变，仅对内螺纹两端2-4牙螺纹变化螺距的近似优化方案。这样可以明显降低螺纹的峰值应力，减小应力集中现象，使载荷在各个螺纹牙上的分布更加均匀合理。通过有限元法模拟了优化方法的效果，验证了这种方法的可行性。为套管生产改进螺纹设计提供了理论依据。
1.5 前景展望
伴随着计算机技术的发展和各种分析软件的成熟，ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARK、ALGOR以及ADINA等为代表的一系列分析软件的不断完善，运动仿真技术的发展使其理论分析有了更加坚实可靠的手段和依据，使得其更加接近真实情况，各种仿真软件和分析系统的日趋完善使得对螺纹连接强度的分析计算更加科学，可信。螺纹联接部位的受力分布在很大程度上决定着螺纹联接的承载能力。
1.6 研究的目的意义
螺纹连接的在各种设备及机械中广泛应用，连接的可靠性，安全性事关生命及整个国民经济的发展，可靠，严密的而强度理论研究是生产高强度，高质量的零部件的前提，可靠的连接是机械设备及其零部件正常，安全，高效工作的必然要求，所以进行螺纹连接强度的设计计算分析是发展生产的必然要求具有重大的理论和现实意义。
2 螺纹连接设计的理论知识
2.1 连接的类型
为了便于机器的制造安装运输维修以及提高劳动生产率，机器中广泛使用连接。 机械零件之间的连接分为：机械静连接与机械动连接。在机器工作时，被连接的零部件间不允许产生相对运动的连接称为机械静连接，而机械动连接指的是可以有相对运动的连接。例如：运动副。本课题研究的连接主要是静连接。
2.2 常用螺纹的类型、特点和应用
按螺纹的位置，螺纹分为内螺纹和外螺纹；按螺旋线绕行方向分为左旋螺纹和右旋螺纹；按直径是否变化还分为圆柱螺纹，圆锥螺纹；按按牙型的不同分为普通螺纹：效率低，易自锁，多用于连接。矩形螺纹，梯形螺纹和锯齿型螺纹：传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。此外，还有管螺纹：主要用于管路的连接。
2.3 普通螺纹的主要参数
图2.1螺纹的主要几何参数
在图2.1中：
大径d－即螺纹的公称直径。
小径d1－常大用于连接的强度计算。
中径d2－常用于连接的几何计算。
螺距P－螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。
牙型角a－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。
升角y－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。
线数n－螺纹的螺旋线数目。
导程S－螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。
升角y的计算式为：
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