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2.5 螺纹连接结构的承载传力特征

工程结构中的结构连接分为可拆连接和不可拆连接两类,焊接结构属于不可拆连接,而螺纹连接则属于可拆卸连接,而它的可拆性导致了独特的承载传力特征。螺纹连接结构又区分为螺栓连接与螺钉连接两种方式,如图2-8所示。

图2-8 螺栓连接与螺钉连接的两种方式

除了承受复杂的外载荷,为了使得被连接件不分离、不滑移,或者接合面不泄漏,螺纹连接还需要提前施加预紧力,因此看似简单的螺纹连接的承载传力特征其实并不简单。

工程结构中用于连接的螺纹为三角形螺纹,其特点是当量摩擦角大、自锁性较好、强度高。螺纹连接在静载荷和工作温度变化不大时一般不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷的作用下,螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬时消失,这种现象多次重复后会使连接松脱。在高温或温度变化较大的情况下,由于螺纹连接件和被连接件的材料发生蠕变和应力松弛,也会使连接中的预紧力和摩擦力逐渐减小,最终将导致连接失效,这就是所谓的连接防松问题。螺纹连接防松的根本问题在于螺纹连接的预紧力的保持度,松动的判据是螺旋副是否产生相对转动。

螺纹连接的预紧力对螺栓的总载荷、连接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响,过大或过小的预紧力均有害,由此可见,预紧力的存在是螺纹连接结构不同于焊接连接结构的一个重要区别。

关于螺纹连接是否能够满足设计要求,这需要进行强度校核,工业发达国家高度重视这个问题且已奠定了深厚的研究基础,它们颁布了一系列水平很高的设计计算标准,推出了系统的计算方法,其中有代表性的是德国工程师协会推出的VDI2230标准 [9,10] ,该标准的第一部分VDI2230-1 [9] 在综合考虑螺栓与夹紧件的连接形式、具体尺寸等因素的基础上,通过经验公式来分析计算单个紧螺栓连接。该标准的第二部分VDI2230-2 [10] 为螺栓连接系统(螺栓组连接)的计算标准,标准中针对问题的难易程度分别给出了刚体力学法、弹性力学法、有限元法三种不同的计算方法。

这里需要强调,之所以提出用有限元法,是因为前两个方法是基于一些假定将复杂问题简单化,而实际工程问题的复杂性常常超出这些假定。例如,如果承受的载荷表现出时间历程上的复杂性时,不管是规则变化的动态载荷,或者是随机变化的动态载荷,都将使静态强度问题上升为疲劳问题;如果是瞬间的冲击载荷,它将产生与静态载荷完全不在一个数量级上的应力放大,这将导致评估难度系数上升;如果被连接的材料是异种材料且几何边界也不规则,则前两个方法计算公式中的柔性系数很难预先判断,这也将导致连接可靠性评估的难度系数上升。还有,多数情况下螺栓连接都是成组使用的,用传统方法设计时按受力最大的螺栓进行强度计算然后确定设计尺寸,而应用有限元方法计算,则可以较为方便地了解成组螺栓连接中处于不同位置的单个螺栓的受力情况,为更加科学合理地使用现有的工程结构及改进设计提供必要的依据。因此使用有限元法之类的数值分析方法评估螺栓的连接性能是工程结构上一个重要的研究方向,具体的应用实例与建模方法将在本书的第9章介绍。 P92T5tQk4jF4qUv6dguJgrHMXTzHUwO8NedTFYFty0C+L4mVER0QQYSKglg6gOD4

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