高强度螺栓的应力分析及结构疲劳强度优化

摘要

高强度螺栓广泛应用在各种重要设备中，其失效会造成严重的后果。螺栓最主要的失效形式是疲劳断裂，所以研究高强度螺栓的疲劳问题，建立正确的高强度螺栓的疲劳预测方法，准确分析螺栓结构的应力应变分布，并提出较高疲劳强度的螺栓结构，具有重要意义。本文是利用有限元软件模拟螺栓结构来进行研究，主要工作包括三个方面。
　　考虑高强度螺栓的螺牙根部常出现局部屈服的特点，选择基于弹塑性有限元分析的局部应力法来预测结构的疲劳寿命。设计了测定螺栓寿命的疲劳试验，通过试验结果和理论计算结果对比，验证了这种方法的可行性和准确性。
　　利用通用有限元分析软件ABAQUS对螺栓结构进行有限元分析，考虑材料的弹塑性和接触非线性，分析螺栓结构的各部分的应力应变分布，并总结出各螺牙承载不均匀性的规律。研究螺栓和螺母的螺纹配合圈数，接触面的摩擦系数，螺纹根部过度圆角半径这几个因素对螺栓受力状态的影响。此外，对比了在有限元建模过程中，采用回转简化模型和采用螺旋模型的计算误差。
　　在上述基础上，提出若干种螺栓结构疲劳强度优化的思路和方法，并利用有限元法进行建模验证。具体措施包括以下几个:
　　(1)增大螺纹根部的圆角深度，增大根部的过渡圆角半径。
　　(2)按一定规律改变螺母的螺距，有规律的切削螺母的受力螺纹面。
　　(3)改变螺栓齿高，一定斜度斜切其螺牙，使接触的前几号螺牙齿高减小。
　　(4)改变螺母牙侧角，在螺母的牙根处取一个段牙侧角为60°的楔形斜面。
　　(5)减小螺栓结构的刚度，达到减小螺栓承受的动载荷的幅度的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题提出的背景与研究意义

1．1．1 课题提出的背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．3 本文主要研究内容

第2章 关于高强度螺栓的基本理论

2．1 螺纹

2．1．1 螺纹的主要参数

2．1．2 螺纹牙型

2．2 螺纹力学

2．2．1 对于拧紧螺母所需的力矩

2．2．2 自锁条件

2．2．3 螺旋副的效率

2．3 螺栓承载变形和受力

2．3．1 受横向载荷的摩擦连接

2．3．2 受轴向载荷的抗拉连接

2．4 高强度螺栓预紧力

2．4．1 螺栓预紧力的确定方法

2．4．2 预紧力的控制

2．5 本章小结

第3章 结构疲劳分析方法

3．1 结构疲劳分析预测的基本方法

3．1．1 名义应力法

3．1．2 局部应力应变法

3．2 针对高强度螺栓结构的研究方法和思路

3．2．1 研究思路

3．2．2 研究方法

3．1．3 ABAQUS软件简介

3．3 基于有限元的局部应力应变法的可行性和准确性的验证

3．3．1 试验部分

3．3．2 基于有限元的局部应力应变法理论计算

3．4 本章小结

第4章 螺栓结构的有限元分析

4．1 有限元计算模型

4．1．1 CAD几何模型

4．1．2 弹塑性材料模型

4．1．3 接触设置

4．1．4 网格划分

4．1．5 载荷和边界条件的设置

4．2 计算结果分析

4．2．1 结构的应力应变分布规律

4．2．2 螺牙承载的分布规律

4．3 螺旋和回转模型的对比

4．3．1 最大应力应变的对比

4．3．2 各螺牙承载情况的对比

4．4 若干结构因素对螺栓受力的影响

4．4．1 螺纹配合圈数的影响

4．4．2 摩擦系数的影响

4．4．3 过渡圆角的影响

4．5 本章小结

第5章 螺栓疲劳强度优化的若干措施

5．1 改变过渡圆角半径

5．1．1 改变过渡圆角半径的方法

5．1．2 有限元建模验证

5．2 改变螺距

5．2．1 改变螺母螺距的方法

5．2．2 有限元建模验证

5．3 改变齿高

5．3．1 改变齿高的方法

5．3．2 有限元建模验证

5．4 改变牙侧角

5．4．1 牙侧角对螺栓受力的影响

5．4．2 改变螺母牙侧角的方法

5．4．3 有限元建模验证

5．5 改变刚度

5．5．1 改善刚度的理论

5．5．2 改变刚度的方法

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢