螺栓疲劳强度计算分析Word格式.docx
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Keywords:
boltfatiguestrength,calculationandanalysis,strengththeory,ANSYSfiniteelementsanalysis.
1绪论
本章主要介绍疲劳强度的基本概念及疲劳损伤的类型,影响疲劳强度的因素,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栓的疲劳强度计算及分析进行研究。
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,其中螺栓连接因为其经济性,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。
本论文侧重研究其在交变应力情况下的强度计算机分析。
在冶金,矿山,工程,运输等机械设备中,承受变载荷的螺栓连接广泛地应用着,因而研究螺栓连接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疲劳强度的计,二是对影响疲劳强度的因素进行分析,就螺栓的疲劳强度计算展开,以汽缸螺栓连接实例把理论分析和有限元分析相结合,然后就此得出螺栓连接疲劳计算分析的一般规律。
1.2疲劳强度的概念及常见的疲劳损伤类型
如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等,在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化,这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。
在交变应力的作用下,虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。
据统计,在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏,而且疲劳破坏前没有明显的变形,所以疲劳破坏经常造成重大事故,所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。
1.3影响疲劳强度的因素
金属疲劳在交变应力作用下,金属材料发生的破坏现象。
机械零件在交变压力作用下,经过一段时间后,在局部高应力区形成微小裂纹,再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。
疲劳破坏具有在时间上的突发性,在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点,故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。
应力幅值、平均应力大小
循环次数是影响金属疲劳的三个主要因素。
1.4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栓疲劳强度的分析计算更加科学,可信。
1.5研究的目的意义
螺栓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,所以进行螺栓疲劳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相关背景知识
本章主要讲解进行螺栓疲劳强度计算分析所需要的理论基础,包括强度理论及疲劳强度计算的三种公式;
螺栓连接的设计计算公式;
螺栓连接的设计原则;
强度计算公式选择的原则。
2.1背景知识
2.1.1强度理论及疲劳强度的计算主要有三种方法:
①若γ=常数,则也有α=1-γ/1+γ=常数,即α=常数,在图2.1中设M点为一工作点,这样过原点的射线OM就代表简单就代表简单加载情况。
M点(假设在AB线上,一下均同假设)为工作应力点M按γ=C变化得到极限应力点。
联解OM,AB两条直可得
图2.1γ=常数时的极限应力
2-1
则可求出点M′点坐标对于点M点的应力极限为
2-2
则根据最大应力求得的最大应力安全系数计算值及强度条件为
2-3
②按应力幅计算;
σmin=C
若man=C则有σmin==C,故在图2中,过工作点M作与横坐标夹角为45°
的直线MM′,则这条直线上任一点的应力最小值相同,即复合σmin==C的加载条件。
M′所代表的应力就是此情况下计算时应采用的疲劳极限应力。
图2-2σmin=C时的极限应力
联解直线MM′,AB方程
2-4
代入,可解得M′的坐标(σ′m,σ′a)
2-5
③按应力的循环特性保持不变(即γ=C)的应力变化规律计算
即σm=C在图3中,过工作点M,作纵轴的平行线MM′,则此直线上任一点的应力,其平均应力相同,即符合σm=σ的加载条件。
M′点所代表的应力就是此情况下计算时所采取的疲劳强度极限应力。
图2-3σm=C时的极限应力
联解MM′,AB两直线方程
2-6
可得M′点的坐标(σ′m,σ′a)
根据最大应力求得的最大应力安全系数及强度条件为
2-7
设计计算时,对上述三种情况的安全系数的校核公式的取舍,要根据具体零件应力可能发生的规律来确定,对于难以确定其规律的,往往采用γ=C的公式。
螺栓连接承受单向稳定变载荷时的疲劳强度计算。
对于承受预紧力和变化的工作拉力的紧螺栓连接,假设加预紧力F后,承受0~F之间的变化的工作拉力,从图所示的受轴向变载荷的螺栓受力情况图可见,此螺栓所受的总拉力在F~F。
之间变化。
由图容易看出,当螺栓承受0~F脉动变化的工作载荷时,螺栓内的应力为非对称循环变应力。
这是因为虽然外加工作载荷是脉动变化的,但由于预紧力F的存在,螺栓所受的总拉伸载荷则是在F~F。
之间变化的波动拉伸载荷,如果不考虑螺栓摩擦力矩的扭转作用,则螺栓受单向稳定的应变力。
对于受单向稳定应变力的螺栓疲劳强度校核计算就可以完全按照上述变应力的基本理论,至于具体使用那一种安全系数校核公式,首先要看螺栓承受变应力的变化规律如何,然后再确定。
图2-4轴向变载荷的螺栓受力情况
2.2螺栓设计计算受力选择原则
迄今为止我们应经对螺栓承受变应力的情况有了深入的认识了,形成了一些较成熟的观点,这里我们着重讨论一下几种。
第一种:
影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅。
所以螺栓的疲劳强度可以按应力幅进行计算,即选用公式
2-8
满足此条件极为安全。
第二种:
由于而为常数则为常数,所以螺栓的疲劳强度按照的情况进行计算,及选用下式校核。
最大安全系数
2-9
满足此条件即为安全
第三种:
是最简单的加载方式,而螺栓受载荷属于复杂的非对称循环变载荷,计算较为繁琐。
由于工程上常把较复杂的问题简单化成对称循环处理的方法。
所以螺栓的疲劳强度计算可以按照这种简化方法,用γ=C规律进行简化计算。
2-10
满足此条件即为安全。
螺栓连接的安全系数可参照下表1.1选择
装配情况
许用安全系数
公
称
直
径螺栓材料
[n]
[no]
M5-M16
M16-M30
紧连接
(不加预紧力)
碳素钢
10-6.5
6.5
2.5-5
合金钢
7-5
5
(加预紧力)
1.2-1.5
1.5-2.5
表1.1不同材料螺栓连接的安全系数
2.3螺栓连接的计算公式
松螺栓连接的计算公式:
2-11
螺栓危险截面拉伸强度为:
2-12
d1——————螺纹小径,单位mm
F——————螺栓所承受的轴向工作载荷,单位N
[σ]—————螺栓连接的许
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