CN106407558A - 一种圆柱形构件内径的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆柱形构件内径的计算方法，根据强度设计原则给定的圆柱形构件表面应力集中系数k，建立应力集中系数k与内外径比值α的函数关系，从而求得圆柱形构件内径，当圆柱形构件的材质不同时，其k值的取值也会所不同，由此使内外径比值α的确定与构件的材料属性紧密联系在一起，并且能有唯一解，相比于现有技术采用查阅机械设计手册的方法，消除了人为误差带来的影响。

Description

一种圆柱形构件内径的计算方法
技术领域
本发明涉及一种圆柱形构件内径的计算方法。
背景技术
圆柱形构件是一种典型的机械安装结构，并且广泛应用于航空航天领域，相对于实心的圆柱形构件而言，空心圆柱形构件更能满足飞机、航天器等轻质结构苛刻的减重设计要求。
在设计空心圆柱形构件时，依据装配要求确定圆柱形构件的外径以后，一个关键性的问题就是如何给出合理的内外径比值，既实现减重要求，又满足承载强度要求。由于追求减重和保证强度是一对设计矛盾，因此，在外径一定的前提下，利用合理的内外径比值，给出适当的空心圆柱形构件的内径，是此类结构的设计难点。
现有技术采用的方法是查阅机械设计手册，得出的内外径比值与材料属性无关，仅是按照工程经验确定的曲线，不同设计员参考应用时，通常会得出不同的读数结果，因此人为因素误差很大。
发明内容
为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种圆柱形构件内径的计算方法,所述圆柱形构件设有一轴向通孔，所述计算方法包括如下步骤：
步骤一，根据强度设计原则给定的应力集中系数k，建立所述圆柱形构件的内外径比值α与应力集中系数k的函数关系，函数关系如下面公式(1)所示：
公式(1)中θ为所述圆柱形构件的表面压应力起始辐角，λ为所述轴向通孔在配合受载时的接触系数，当圆柱形构件的材质不同时，其k值的取值也会所不同；
步骤二，根据所述圆柱形构件的应力集中系数k，将其带入上述公式(1)中，计算出内外径比值α，；
步骤三，根据所述圆柱形构件的内径d与内外径比值α的关系，计算所述圆柱形构件的内径d：
公式(2)中D为圆柱形构件的外径，d为圆柱形构件的内径。
优选的，圆柱形构件的表面压应力起始辐角θ取值为10°。
优选的，轴向通孔在配合受载时的接触系数λ取值为0.9。
优选的，圆柱形构件为一个铰接轴。
本发明提供的一种圆柱形构件内径的计算方法，根据强度设计原则给定的圆柱形构件表面应力集中系数k，建立应力集中系数k与内外径比值α的函数关系，从而求得圆柱形构件内径，当圆柱形构件的材质不同时，其k值的取值也会所不同，由此使内外径比值α的确定与构件的材料属性紧密联系在一起，并且能有唯一解，相比于现有技术采用查阅机械设计手册的方法，消除了人为误差带来的影响。
附图说明
图1是所述圆柱形构件的结构示意图。
附图标记：圆柱形构件1，轴向通孔2。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的描述。
具体实施例：下面以如图1所示的圆柱形构件为例来计算其内径，所述圆柱形构件为一个空心铰接轴,图中D为空心铰接轴外径,d为空心铰接轴内径。
步骤一，根据强度设计原则给定的应力集中系数k，建立空心铰接轴的内外径比值α与应力集中系数k的函数关系，函数关系如下面公式(1)所示：
公式(1)中θ为空心铰接轴的表面压应力起始辐角，λ为空心铰接轴的轴向通孔2在配合受载时的接触系数，θ取值为10°，λ取值为0.9，将θ与λ的值代入公式(1)中，得出公式(1-1)：
步骤二，公式(1-1)中的变量只有k与α了，而k的取值是固定的，根据空心铰接轴的材质不同时，其k值的取值也会所不同，在本实施例中，空心铰接轴采用某种k值为3的钢材，根据空心铰接轴的应力集中系数k计算内外径比值α；
由公式(1-2)可知当k值为3时，算出的空心铰接轴的内外径比值α约为0.4；
步骤三，根据空心铰接轴的内径d与内外径比值α的关系，计算所述圆柱形构件的内径d，本实施例中，空心铰接轴的外径D为100毫米；
通过公式(2)计算出空心铰接轴的内径d约为40毫米。
判定铰接轴的强度是否依旧符合要求的是应力集中系数k，因为内外径比值α是根据k值计算出来的，因此可以保证空心的铰接轴相比实心的时候来说，依旧能符合强度要求。
如下表1所示，表中给了五种高强度航空结构钢材质的空心铰接轴，给定外径D为100毫米，使用不同材质的空心铰接轴计算出对应的空心铰接轴内径d的计算结果：
表1空心铰接轴的内径d计算结果表
材料牌号 k值 内外径比值α 外径D(mm) 内径d(mm)
30CrMnSiA 4.5 0.51 100 51
30CrMnSiNi2A 4.0 0.48 100 48
AF1410 3.5 0.45 100 45
300M 3.0 0.40 100 40
A100 3.0 0.40 100 40
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种圆柱形构件内径的计算方法，所述圆柱形构件(1)设有一轴向通孔(2)，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
步骤一，建立所述圆柱形构件(1)的内外径比值α与应力集中系数k的函数关系：
k = [ s i n θ · ( 1 + α ) · ( 1 + 2 · α ) α · ( 1 - α ) 2 - λ 2 - s i n θ 1 - α ] · [ 1.5 - 15 · ( α - 0.4 ) 3 ] - - - ( 1 ) ;
公式(1)中θ为所述圆柱形构件(1)的表面压应力起始辐角，λ为所述轴向通孔(2)在配合受载时的接触系数；
步骤二，根据所述圆柱形构件(1)的应力集中系数k计算出内外径比值α；
步骤三，根据所述圆柱形构件(1)的内径d与内外径比值α的关系，计算所述圆柱形构件(1)的内径d：
α = d D - - - ( 2 ) ;
公式(2)中D为圆柱形构件(1)的外径。
2.根据权利要求1所述的圆柱形构件内径的计算方法，其特征在于，所述圆柱形构件(1)的表面压应力起始辐角θ取值为10°。
3.根据权利要求1所述的圆柱形构件内径的计算方法，其特征在于，所述轴向通孔(2)在配合受载时的接触系数λ取值为0.9。
4.根据权利要求1所述的圆柱形构件内径的计算方法，其特征在于，所述圆柱形构件(1)为铰接轴。
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