CN106599521B - 一种紧固件设计系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种紧固件设计系统及方法，本发明涉及紧固件设计系统及方法。本发明的目的是为了解决现有紧固件安装还是人为设计点位，工作过于繁重；同时合理的设计紧固件对于设计人员的工作经验要求较高的问题。一种紧固件设计方法具体过程为：步骤一、自动完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距；步骤二、根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件；步骤三、校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核的结果；步骤四、校核连接件的钉孔挤压强度，生成校核的结果；步骤五、根据步骤三和步骤四生成的校核的结果，生成紧固件的EBOM表。本发明用于紧固件设计领域。

Description

一种紧固件设计系统及方法

技术领域

本发明涉及紧固件设计系统及方法。

背景技术

当今机械设计发展迅猛，特别是计算机的更新换代能够更好的支持大型软件运行，从而机械设计软件的智能化和友好化成为将来发展的趋势。技术积累的集成化一键式设计成为发展趋势。

紧固件设计技术，在机械设计行业特别是无图纸化设计的三维设计替代二维图纸的今天，紧固件设计还是由设计人员通过以下操作完成；

从图1中可以看出：

第一代紧固件是用二维图纸表示，在三维中画出紧固件的轴线表示一个穿过连接件的紧固件，该紧固件可以明确表示紧固件的位置，可以用于检查紧固件是否有短边距、操作空间不够等问题，

缺点：因为没有表示出实体所以紧固件的检查不是太明确，特殊位置还需要人为做出实图；对于紧固件的长度还需要去测量夹层厚度计算紧固件需要的长度；对于大量紧固件的航空业来说工作过于繁琐；因为紧固件的长度计算不准确，在研制批为了满足工程需要，采购紧固件是需要上下调整一级甚至多级，从而产生大量的浪费。

第二代紧固件是第一带的升级版；已经可以把第一代一些缺点进行了初步补充；比如紧固件长度计算；紧固件直径模拟；紧固件干涉检查等，

缺点：紧固件安装还是人为设计点位，工作过于繁重；同时合理的设计紧固件对于设计人员的工作经验要求较高；

发明内容

本发明的目的是为了解决现有紧固件安装还是人为设计点位，工作过于繁重；同时合理的设计紧固件对于设计人员的工作经验要求较高的问题，而提出一种紧固件设计系统及方法。

一种紧固件设计系统包括：

用于完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距的紧固件参数模块；

用于根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件的紧固件生成模块；

用于校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核结果的紧固件校核模块；

用于校核连接件的钉孔挤压强度的生成校核结果的连接件校核模块；

用于生成校核结果的结果模块。

一种紧固件设计方法具体过程为：

步骤一、自动完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距；

步骤二、根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件；

步骤三、校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核的结果；

步骤四、校核连接件的钉孔挤压强度，生成校核的结果；

步骤五、根据步骤三和步骤四生成的校核的结果，生成紧固件的EBOM表。

本发明的有益效果为：自动设计紧固件位置功能——解决人为繁琐的紧固件打点过程，从而可以减轻结构设计过程30％以上的工作量；

自动生成紧固件可以避免紧固件设计过程不可不免的失误，避免紧固件设计过程中的大量的不合理性(紧固件件直径选择过大或者小了等问题)，从而避免设计的返工；减轻结构设计过程最少30％以上的工作量，强度校核30％以上的工作量；

附图说明

图1为现有技术示意图；

图2为本发明紧固件示意图；

图3为铆钉在弹性范围工作时铆钉间力的分布示意图；

图4为桶形(形式Ⅰ)铆钉的形式图；

图5为半圆形(形式Ⅱ)铆钉的形式图；

图6为螺纹连接类型示意图；

图6a为螺栓螺纹连接类型示意图；

图6b为螺钉螺纹连接类型示意图；

图6c为螺桩螺纹连接类型示意图；

图6d为螺栓式螺桩螺纹连接类型示意图；

图6e为套筒螺纹螺纹连接类型示意图；

图6f为特殊螺母螺纹连接类型示意图；

图7为受拉螺栓疲劳破坏部位示意图，A为啮合面处；B为螺尾处；C为光杆处；D为r处，r为圆角区域；

图8为受轴向载荷松螺栓连接的基本形式图；

图9为受横向载荷铰制孔螺栓连接的基本形式图；

图10为受横向载荷紧螺栓连接的基本形式图；

图11为受轴向载荷紧螺栓连接的基本形式图；

图12为紧固件间距示意图，+为紧固件，p为紧固件间距；

图13为紧固件操作空间示意图，1为操作空间，b为紧固件到圆角距离，t为连接件厚度，φ为紧固件直径或者连接孔直径；

图14为紧固件端距、紧固件边距示意图，e1为紧固件端距，e2为紧固件边距，；

图15为紧固件固定连接件示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种紧固件设计系统包括：

用于完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距的紧固件参数模块；

用于根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件的紧固件生成模块；

用于校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核结果的紧固件校核模块；

用于校核连接件的钉孔挤压强度的生成校核结果的连接件校核模块；

用于生成校核结果的结果模块。

具体实施方式二：结合图2、12、13、14、15说明本实施方式，本实施方式的一种紧固件设计方法，其特征在于：一种紧固件设计方法具体过程为：

步骤一、自动完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距；

步骤二、根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件；

步骤三、校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核的结果；

步骤四、校核连接件的钉孔挤压强度，生成校核的结果；

步骤五、根据步骤三和步骤四生成的校核的结果，生成紧固件的EBOM表。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中自动完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距；具体过程为：

步骤一一、根据三维实体模型，按短板效应原则，计算出紧固件直径D；

D/t_i≥0.60

式中，D为紧固件直径；t_i为连接件厚度；i为第几个连接件，取值为正整数；

例如：在高载连接处，紧固件直径对连接件厚度的比值应大于或等于0.60(D/t_i≥0.60)。

步骤一二、根据紧固件直径D计算出紧固件端距、紧固件操作空间、紧固件间距，连接件是金属时紧固件端距为2.5D+1；连接件是复合材料时紧固件端距为3D+1；紧固件所需要的最小操作空间为D+1；连接件是金属时紧固件间距为3D-5D；连接件是复合材料时紧固件间距为4D-6D。

如果连接区域对密封要求较高，比如油箱区域，按4.5D。(油箱区域是因为密封特殊要求)。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤二中根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件；具体过程为：

步骤二一、根据紧固件直径、紧固件端距(紧固件到连接件端头距离)、紧固件操作空间(能连接紧固件的最小空间要求)、紧固件间距(同排相邻两个紧固件直间的距离)和夹层厚度设计紧固件长度；夹层厚度为紧固件连接所有连接件的厚度之和，根据夹层厚度设计紧固件长度；

紧固件长度和夹层有一定的设计要求的，这是个特定值；

解释说明：紧固件，比如螺栓，螺栓光杆是有一定的长度的，在使用紧固件过程中不允许螺纹进入链接区域，从而夹层的厚度决定了螺栓光杆的长度要求，国外的紧固件都是有夹层范围的，也就是知道夹层厚度紧固件的对应长度就出来了；

步骤二二、根据紧固件连接区域的位置设计紧固件的钉头，凸头与埋头情况；

解释说明：对于飞机来说对于气动表面需要保持广顺，不能有凸起，所以采用埋头，内部结构采用凸头紧固件承载能力特别抗拉能力高；

步骤二三、根据连接材料选择紧固件材料；

解释说明：因为异电位腐蚀问题，紧固件最好要和连接结构匹配；比如铝和钢在一起很很容易发生电化学腐蚀；

步骤二四、根据紧固件操作空间确定紧固件；

解释说明：比如结构的开敞型；

步骤二五、当需要连接的2个连接件的连接区域存在间隙时，进行间隙提示，并提示间隙值；

当需要连接的2个连接件中的一个为斜面时，紧固件打在斜面上，进行自动提示。

解释说明：比如结构设计不合理，发现两个结构件有间隙，需要间隙提示，如果三维图干涉，可以干涉提醒。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三中校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核的结果；具体过程为：

把紧固件的相关校核经典公式集成到软件中，在结构件设计合理的情况下：一键完成紧固件的校核。

一、铆钉连接：

1)铆钉抗剪强度，

一个铆钉的单剪破坏力为

如果铆钉有n个剪切面，则每个铆钉的破坏剪力为

式中：d为铆钉直径；τ_b为铆钉的破坏剪应力；

2)铆钉的挤压强度

破坏挤压力为P＝dδ_minσ_br

式中：δ_min为被连接板件的最小厚度；σ_br为被连接连接件材料或铆钉材料的破坏挤压应力中最小值；

3)铆钉的抗拉强度

计算具有桶形(形式Ⅰ)和半圆形(形式Ⅱ)铆钉镦头而且具有半圆形铆钉头的铆钉(如图4、图5)的破坏拉力，当板子有足够强度时，可采用表1内的数值。

表1铆钉的破坏拉力

注：表中，对于LY1,σ_b＝294MPa；对于10.σ_b＝294MPa；对于MLC15，σ_b＝294MPa,对于30GMnSiA,σ_b＝686MPa。

对于具有半圆形铆钉头的桶形铆钉镦头的铆钉σ_t＝0.4σ_b；

对于具有两个半圆头的铆钉σ_t＝0.6σ_b；

对于锪孔的埋头铆钉σ_t＝0.5σ_b；

σ_b为紧固件材料的抗拉强度；

σ_t为紧固件的抗拉强度；

二、螺栓连接：

用于连接中的螺纹连接件一般有6种类型，即螺栓、螺钉、螺桩、螺栓式螺桩、套筒螺纹和特殊螺母(如图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f)。本发明所介绍的计算方法，对于这几种连接类型的连接件和带有螺纹的零件都适用。

螺栓分为受横向剪切载荷和受轴向拉伸载荷两种受力形式，前者称为受剪螺栓，后者称为受拉螺栓。受剪螺栓主要承受剪切、挤压和弯曲载荷；受拉螺栓主要承受拉伸和弯曲载荷。螺栓连接在静力作用下，受拉螺栓的破坏部位在螺栓最小横截面处。受拉螺栓在纯剪载荷作用下，破坏部位通常在剪切分离面处和挤压支撑面处；在弯、剪载荷作用下，破坏部位还可能在最大复合应力部位处。螺栓连接在交变载荷作用下，受拉螺栓的常见破坏部位见图7。受剪螺栓在纯剪载荷作用下，破坏部位和受拉螺栓的破坏部位相似，有时还可能在剪切分离面处破坏。

1)螺栓抗拉强度

标准受拉螺栓的破坏拉力可由表3查得。当缺少数据时，按下面公式计算螺栓抗拉强度

Pt＝Fσ_bK

式中：F为螺栓的最小横截面面积(对应于螺纹的内径或退入槽处的内径或其他情况的最小直径)；σ_b为紧固件材料的抗拉强度；K为螺栓淬火不均匀系数，Pt为螺栓抗拉强度；由表2、表3查得。

表2螺栓淬火不均匀系数

螺纹外径d(mm)	≤13	14	16	18	20～30
						K	1.0	0.99	0.97	0.96	0.94

2)螺栓的抗剪强度

受剪螺栓的破坏剪力由表3查得，当缺少数据时，按下式计算螺栓的抗剪强度

P_s3＝F'τ_b'

式中：F'为受剪面积；τ_b'为螺栓材料的剪切强度；

表3螺栓的破坏拉力与破坏剪力

3)螺栓的挤压强度

螺栓的挤压破坏载荷为

P_br＝d′δK_brσ_b

式中：δ为连接件的厚度；K_br为挤压系数，d′为螺栓直径。螺栓连接的挤压系数列于表4内。

表4螺栓连接的挤压系数

所述螺栓的挤压强度具体过程为：

(1)按抗剪确定螺栓承载力

式中，n_υ为剪切面数目，单剪n_υ＝1；d为螺杆直径；[τ]为螺杆的许用剪应力；粗制螺栓[τ]＝0.6[σ]；[σ]为螺栓材料的许用正应力；

(2)按承压确定螺栓承载力[N_C]

[N_C]＝d·∑t·[σc]

式中，∑t为同一受力方向的承压构件的较小总厚度；[σc]为孔壁的许用承压应力；粗制螺栓[σc]＝1.4[σ]，[σ]为基材的许用正应力；

a)受轴向载荷松螺栓连接的基本形式如图8；

受轴向荷载松螺栓连接强度校核与设计时，按下列公式计算：

校核计算公式：

设计计算公式：

许用应力计算公式：

式中，F_c为轴向荷载，单位为N；d₁为螺栓小径，单位为mm，查表获得；_sσ为螺栓屈服强度，单位为Mpa，由螺纹连接机械性能等级决定；S_s为安全系数，S_s＝1.2～1.7；σ为拉压应力；

b)受横向载荷铰制孔螺栓连接强度校核与设计

受横向载荷铰制孔螺栓连接的基本形式如图9所示

受横向载荷铰制孔螺栓连接的基本计算公式为：

按挤压强度校核计算

按抗剪强度校核计算

按挤压强度设计计算：

按抗剪强度设计计算：

式中，F_A′为受横向荷载，单位为N；d₀为受剪直径(等于螺纹小径)，单位为mm，查表获得；δ为受挤压高度，取δ₁、δ₂中的较小值，单位为mm；m为受剪面个数；τ为剪应力；[σ_F]为材料的许用应力；

c)受横向载荷紧螺栓连接强度校核与设计

受横向载荷紧螺栓连接的基本形式如图10所示；

受横向载荷紧螺栓连接强度校核与设计的基本公式如下：

预紧力计算公式：

校核计算公式：

设计计算公式为：

许用应力计算公式为：

式中，F_A为横向荷载，单位为N；F_p为螺栓预应力，单位为N；K_f为可靠性系数，K_f＝1.1～1.3；m′为接合面数；f为接合面摩擦因数，根据不同材料而定，钢对钢时，为0.15左右；d₁为螺纹小径，从表中获得；σ_s为螺栓屈服强度，单位为Mpa；由螺栓材料机械性能等级决定；S_s为安全系数，按表5选用；

表5预紧螺栓连接的安全系数

d)受轴向载荷紧螺栓连接(静载荷)强度校核与设计

受轴向载荷紧螺栓连接的基本形式如图11所示；

例如：

铝合金连接件处衬套直径D＝13mm，壁厚H＝5mm；

挤压应力

经查7050-T7451的屈服强度为448MPa>238.46MPa。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤四中校核连接件的钉孔挤压强度，生成校核的结果；具体过程为：

连接件的钉孔挤压强度：

[σ_br]≥N/Dδ_min

式中[σ_br]为连接件的钉孔挤压强度；D为紧固件直径；δ_min为被连接板件的最小厚度；N为紧固件上的载荷。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤五中根据步骤三和步骤四生成的校核结果，生成紧固件的EBOM表；具体过程为：

EBOM表包括连接件的相关信息(零组件号、零组件名称、材料、毛料尺寸)、紧固件的相关信息和重量，紧固件的相关信息为紧固件操作空间、紧固件间距、夹层厚度、紧固件长度、紧固件的钉头和紧固件材料；

EBOM为工程物料清单。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

Claims (4)

1.一种紧固件设计方法，其特征在于：一种紧固件设计方法具体过程为：

步骤一、自动完成紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距的计算；

具体过程为：

步骤一一、根据三维实体模型，按短板效应原则，计算出紧固件直径D；

D/t_i≥0.60

式中，D为紧固件直径；t_i为连接件厚度；i为第几个连接件，取值为正整数；

步骤一二、根据紧固件直径D计算出紧固件端距、紧固件操作空间、紧固件间距，连接件是金属时紧固件端距为2.5D+1；连接件是复合材料时紧固件端距为3D+1；紧固件所需要的最小操作空间为D+1；连接件是金属时紧固件间距为3D-5D；连接件是复合材料时紧固件间距为4D-6D；

步骤二、根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间和紧固件间距自动生成紧固件；

具体过程为：

步骤二一、根据紧固件直径、紧固件端距、紧固件操作空间、紧固件间距和夹层厚度设计紧固件长度；夹层厚度为紧固件连接所有连接件的厚度之和，根据夹层厚度设计紧固件长度；

步骤二二、根据紧固件连接区域的位置设计紧固件的钉头，凸头与埋头情况；

步骤二三、根据连接材料选择紧固件材料；

步骤二四、根据紧固件操作空间确定紧固件；

步骤二五、当需要连接的2个连接件的连接区域存在间隙时，进行间隙提示，并提示间隙值；

当需要连接的2个连接件中的一个为斜面时，紧固件打在斜面上，进行自动提示；

步骤三、校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核的结果；

步骤四、校核连接件的钉孔挤压强度，生成校核的结果；

步骤五、根据步骤三和步骤四生成的校核的结果，生成紧固件的EBOM表。

2.根据权利要求1所述一种紧固件设计方法，其特征在于：所述步骤三中校核紧固件直径，剪切强度，拉脱强度，生成校核的结果；具体过程为：

一、铆钉连接：

1)铆钉抗剪强度，

一个铆钉的单剪破坏力为

如果铆钉有n个剪切面，则每个铆钉的破坏剪力为

式中：d为铆钉直径；τ_b为铆钉的破坏剪应力；

2)铆钉的挤压强度

破坏挤压力为P＝dδ_minσ_br

式中：δ_min为被连接板件的最小厚度；σ_br为被连接连接件材料或铆钉材料的破坏挤压应力中最小值；

3)铆钉的抗拉强度

对于具有半圆形铆钉头的桶形铆钉镦头的铆钉σ_t＝0.4σ_b；

对于具有两个半圆头的铆钉σ_t＝0.6σ_b；

对于锪孔的埋头铆钉σ_t＝0.5σ_b；

σ_b为紧固件材料的抗拉强度；

σ_t为紧固件的抗拉强度；

二、螺栓连接：

1)螺栓抗拉强度

按下面公式计算螺栓抗拉强度

Pt＝Fσ_bK

式中：F为螺栓的最小横截面面积；σ_b为紧固件材料的抗拉强度；K为螺栓淬火不均匀系数，Pt为螺栓抗拉强度；

2)螺栓的抗剪强度

按下式计算螺栓的抗剪强度

P_s3＝F'τ_b'

式中：F'为受剪面积；τ_b'为螺栓材料的剪切强度；

3)螺栓的挤压强度

螺栓的挤压破坏载荷为

P_br＝d′δK_brσ_b

式中：δ为连接件的厚度；K_br为挤压系数，d′为螺栓直径。

3.根据权利要求2所述一种紧固件设计方法，其特征在于：所述步骤四中校核连接件的钉孔挤压强度，生成校核的结果；具体过程为：

连接件的钉孔挤压强度：

[σ_br]≥N/Dδ_min

式中[σ_br]为连接件的钉孔挤压强度；D为紧固件直径；δ_min为被连接板件的最小厚度；N为紧固件上的载荷。

4.根据权利要求3所述一种紧固件设计方法，其特征在于：所述步骤五中根据步骤三和步骤四生成的校核结果，生成紧固件的EBOM表；具体过程为：

EBOM表包括连接件的相关信息、紧固件的相关信息和重量，紧固件的相关信息为紧固件操作空间、紧固件间距、夹层厚度、紧固件长度、紧固件的钉头和紧固件材料；

EBOM为工程物料清单。

Images