CN110298118A - 一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，该方法将螺栓连接节点简化为相应的力学模型，得到了螺纹部分所承受的外载荷，建立了螺纹连接松动的条件，通过相关螺纹刚度的理论分析得到了螺纹表面的作用力，根据螺纹连接的松动条件得出了螺纹连接临界松动载荷，为螺纹连接临界松动载荷的确定提供了一种新的简明且较为准确的方法。

Description

一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法
技术领域
本发明属于螺栓连接理论技术领域，涉及一种承受横向载荷的螺栓连接结构螺纹临界松动载荷的理论计算方法，更具体地说，以考虑螺栓实际承受横向载荷、轴向载荷和附加弯矩的组合变形状态下螺纹连接的临界松动载荷计算方法。
背景技术
由于螺栓连接具有便于拆卸、结构简单、连接性能好等优点，因此其广泛应用于现代工程结构和机械设备的连接中。螺栓连接在受到静力荷载时连接性能较好，但在受到冲击、循环等动态载荷或工作环境有较大变化时，螺栓连接节点往往会发生松动或疲劳失效等问题，其中螺栓松动失效最为常见。螺栓连接松动会引起连接性能的下降，使螺栓连接的预紧力变小，甚至使得螺栓预紧力完全丧失，从而影响螺栓连接乃至整个结构的力学性能。为了保障工程结构和机械设备的安全稳定运行，有必要对螺栓连接的松动条件展开研究。
外部载荷可分为沿螺杆方向的轴向载荷和垂直于螺杆方向的横向载荷。横向载荷作用下螺纹联接的松动主要表现为螺母与螺杆的相对转动。研究表明在相同的预紧力作用下，拧紧螺母所需要的力矩大于螺母松退时所需要的力矩，该力矩差使得横向载荷作用下螺母与螺栓杆容易发生相对转动，从而导致螺栓连接的松动。在螺纹受力方面，横向载荷作用下螺栓杆会发生弯曲变形，使得螺纹面上的接触压力发生改变，导致螺纹面更容易出现局部松动现象。显然相对于轴向载荷，横向载荷作用下螺纹受力更为复杂，螺栓连接也更加容易发生连接松动，因此，在考虑螺栓松动问题时，需要着重考虑螺栓在横向载荷作用下的松动。
研究螺栓连接松动的条件，需要对螺栓尤其是螺纹部分的受力进行精确分析与计算。为了给出螺纹发生松动的条件，目前的大多数做法是将螺纹假设为刚性，从而给出螺栓松动临界载荷的计算方法，例如文献(张明远,鲁连涛,唐明明,曾东方.横向载荷作用下螺栓临界松动载荷数值计算方法研究.机械工程学报,2018,54(05):173-178)。然而将螺纹假设为刚性就意味着忽略了螺纹的变形，这有可能会导致计算的螺纹应力与实际情况误差较大。针对考虑螺栓连接中螺纹的受力问题，YAMATOTO曾做过详细研究，并被后人广泛采用和改进。然而，这些研究主要针对螺栓承受轴向载荷的情况，无法应用于横向载荷作用下螺纹受力的分析。因此，横向载荷作用下螺纹的受力就要被着重考虑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，该方法针对螺纹刚性假设没有考虑螺纹变形而提出了考虑螺纹柔性的计算方法，在考虑螺纹柔性的基础上，以螺栓实际承受横向载荷、轴向载荷和附加弯矩的组合变形状态下分别计算螺纹的受力，该方法简明且具有较高的计算精度，从而获得较为准确的螺纹连接临界松动载荷。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于包括如下步骤：
首先根据螺栓连接节点的约束条件和螺纹连接松动的特性建立螺栓节点简化力学模型，通过力学分析求解螺纹部分所承受的外载荷，进而通过分析螺纹表面微元的作用力与外载荷的关系建立螺纹连接松动的条件；其次结合YAMATOTO理论中螺纹承受轴向载荷和径向载荷的刚度以及不同变形下的变形协调条件对螺纹表面的作用力进行求解，最后代入螺纹连接松动条件中即可得到螺纹连接临界松动载荷。
对上述方案作进一步补充说明，所述螺栓节点简化力学模型：螺栓一端穿过上、下连接板，并由螺母紧固，上、下连接板沿相反方向错开，忽略上、下连接板间的摩擦力，但考虑螺栓、螺母与连接板间的摩擦，此时螺栓承载上下连接板的横向载荷FT及螺栓预紧力FP，螺栓杆产生附加弯矩M，此为螺栓连接节点力学模型；
对上述方案作进一步补充说明，所述螺纹部分所承受的外载荷求解过程为：简化力学模型为一次静不定问题，根据卡氏定理计算可得横向载荷FT作用下，螺栓上作用的摩擦力Ff＝FT和附加弯矩
对上述方案作进一步补充说明，所述螺栓上作用的外载荷包括螺栓预紧力FP、附加弯矩M以及横向摩擦力Ff，以螺栓轴线为Z轴，螺栓螺纹中心为原点，建立坐标系Oxyz；假设在螺纹面上的作用力沿螺纹径向均匀分布，螺纹面上的作用力分解为径向，切向和法向三个方向，分别用Sb、Sτ和Sn表示：
Sτ＝STsinθcosβ+Ssinβ
Sn＝ST(sinθsinβcosα-cosθsinα)-Scosβ
Sb＝-ST(cosθcosα+sinβsinθsinα)
ST为摩擦力Ff在微区域上产生的横向作用力，S为螺栓预紧力FP和附加弯矩M作用下在微区域内的作用力之和，α为Y轴扭转角，β为X轴扭转角，θ为Z轴扭转角。
对上述方案作进一步补充说明，所述螺栓预紧力FP在微区域内产生的作用力表示为S1(z)，附加弯矩M在微区域内产生的作用力表示为S2(z)，
式中，kb和kn为螺栓和螺母的纵向刚度，其大小与螺纹结构以及泊松比等参数有关；Ab和An为螺栓和螺母的横截面面积；Eb和En为螺栓和螺母的弹性模量；H为螺母高度。
其中：dM(z)表示螺栓杆任意位置的弯矩，d2为螺栓的公称直径；
横向载荷FT在微区域内产生的横向作用力ST(z)
对上述方案作进一步补充说明，所述螺纹连接松动条件为其中，μ为螺纹接触面的摩擦系数，将所述Sb、Sτ和Sn代入上式，即可求出该预紧力下螺栓的临界松动横向载荷。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明针对实际螺栓连接节点，根据其力学性能进行了简化，通过力学模型分析出螺纹部分承受的外载荷，对螺纹部分复杂的受力情况进行了等效，实现模拟真实螺栓连接，提高了计算效率；
(2)与以往的刚性螺纹模型相比，本发明提出的柔性螺纹模型在螺纹承受的轴向载荷、附加弯矩以及横向载荷上具有较高的计算精度，从而能够得到较为准确的螺纹连接临界松动载荷，并验证了该数值计算方法的准确性及可靠性；
(3)本发明提出的柔性螺纹模型，还可以通过更改螺纹连接结构的相关参数，分析不同螺纹的载荷分布及其临界松动载荷的变化规律。
附图说明
图1是螺栓连接节点受力分析模型；
图2是螺栓连接节点简化力学模型；
图3是螺纹面受力示意图；
图4是自然轴系与整体坐标系的关系；
图5是螺栓受力示意图；
图6轴向载荷分布；
图7附加弯矩分布；
图8横向载荷分布；
图9螺纹面切向应力分布；
图10螺纹面法向应力分布；
图11螺纹面径向应力分布；
图12临界松动载荷分布；
图13不同预紧力的临界松动载荷；
图14不同摩擦系数的临界松动载荷；
图15不同夹紧长度的临界松动载荷；
图中：1、螺栓，2、螺母，3、螺母螺纹，4、螺栓螺纹，5、螺母轴线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明为一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，该方法将螺栓连接节点简化为相应的力学模型，得到了螺纹部分所承受的外载荷，建立了螺纹连接松动的条件，通过相关螺纹刚度的理论分析得到了螺纹表面的作用力，根据螺纹连接的松动条件得出了螺纹连接临界松动载荷，为螺纹连接临界松动载荷的确定提供了一种新的简明且较为准确的方法。为解决上述技术问题，采用的技术方案包括以下步骤：首先根据螺栓连接节点的约束条件和螺纹连接松动的特性建立节点简化力学模型，通过力学分析求解螺纹部分所承受的外载荷，进而通过分析螺纹表面微元的作用力与外载荷的关系建立螺纹连接松动的条件。其次结合YAMATOTO理论(YAMATOTO A.The theory and computation of threadsconnection[M].Tokyo:Yokendo,1980(in Japanese))中螺纹承受轴向载荷和径向载荷的刚度以及不同变形下的变形协调条件对螺纹表面的作用力进行求解，最后代入螺纹连接松动的条件中即可得到螺纹连接临界松动载荷。
根据1所述的一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其主要步骤如下：
第一步：螺栓连接节点力学模型的建立及螺纹外载荷求解
如附图1所示为横向载荷作用下螺栓连接节点的受力示意图。螺栓连接结构预紧力为FP、横向载荷为FT。假设上板固定，并忽略上、下连接板间的摩擦力，但考虑螺栓、螺母与连接板间的摩擦。横向载荷FT通过螺母支撑面与连接板间的摩擦力作用到螺栓上。在横向力作用下，由于螺栓杆螺纹与螺母螺纹的相互约束，螺栓杆将发生弯曲变形，产生附加弯矩M。
对于附图1所示的螺栓连接结构，螺栓的松动受螺母支撑面与螺栓头支撑面滑移状态的影响，相关实验表明，螺栓临界松动载荷小于螺栓头支撑面和螺母支撑面的滑移载荷，因此这里假设螺栓头、螺母仍和连接板保持附着状态。此时可将附图1所示的螺栓连接受力模型等效为附图2所示的力学模型，其简化力学模型为一次静不定问题，根据卡氏定理计算可得横向载荷FT作用下，螺栓上作用的摩擦力Ff和附加弯矩M分别为
Ff＝FT
第二步：螺纹受力分析
螺栓上作用的外载荷包括螺栓预紧力FP、附加弯矩M以及横向摩擦力Ff。附图3所示为横向载荷作用下螺纹的受力示意图。为了便于研究螺栓和螺母上螺纹的受力，建立如图所示的坐标系Oxyz。
由于螺纹的径向尺寸与螺栓或螺母直径相比很小，因此可假设在螺纹面上的作用力沿螺纹径向均匀分布。取螺栓螺纹上A点周围的微小条形区域为研究对象，在A点建立自然轴系，Sb、Sτ和Sn分别沿螺纹的径向，切向和法向。ST为摩擦力Ff在微区域上产生的横向作用力，S为螺栓预紧力FP和附加弯矩M作用下在微区域内的作用力之和。为了便于计算，需要建立螺纹上任意点的自然轴系(b,τ,n)和整体坐标系(x,y,z)之间的投影关系，如附图4所示。根据空间直角坐标变换可知，自然轴系(b,τ,n)可以由坐标系(x,y,z)分别绕自身轴z轴、y轴和x轴旋转得到。因此自然轴系(b,τ,n)和整体坐标系(x,y,z)之间的关系可以表示为
其中，
[T]＝[T1][T2][T3]
计算可得坐标变换矩阵
以螺母上A点附近微元为研究对象，由沿坐标轴x、y和z轴的平衡条件可得
-Sbsinαcosβ-(Sτ-Ssinβ)sinβ+(Sn+Scosβ)cosβcosα＝0 (6)
联立式(4)(5)(6)即可解得螺纹面上的作用力分别为
Sτ＝STsinθcosβ+Ssinβ (7)
Sn＝ST(sinθsinβcosα-cosθsinα)-Scosβ (8)
Sb＝-ST(cosθcosα+sinβsinθsinα) (9)
第三步：螺纹面作用力的求解
根据第二步的分析可知S为预紧力FP在微区域内产生的作用力S1(z)与附加弯矩M在微区域内产生的作用力S2(z)之和，ST为摩擦力Ff在微区域上产生的横向作用力。确定螺纹面作用力的关键是要准确的描述ST和S。
1、S1(z)的确定
考虑螺纹柔性时，S1(z)会随着螺纹高度的变化而变化。附图5所示给出了螺栓杆受预紧力FP、附加弯矩M以及摩擦力Ff作用下螺栓受力示意图。螺栓杆受预紧力FP作用下，z位置处的轴向力为F(z)，其计算公式为
式中，kb和kn为螺栓和螺母的纵向刚度，其大小与螺纹结构以及泊松比等参数有关；Ab和An为螺栓和螺母的横截面面积；Eb和En为螺栓和螺母的弹性模量；H为螺母高度。
预紧力FP作用下在微区域内产生的作用力S1(z)为
2、S2(z)的确定
考虑螺纹柔性时，附加弯矩M也会产生随位置不同而变化的应力。如附图5所示，螺栓杆任意位置z处的弯矩为M(z)，螺栓和螺母的轴向应变εb、εn分别为
式中，Iby，Iny分别为螺栓和螺母横截面对y轴的惯性矩；d2为螺纹公称直径。
作用于z和z+dz之间某螺纹牙上的弯矩dM(z)为
由式(13)可以得到
单位力作用下单位宽度的三角形螺纹轴向弹性变形Δ分为：弯曲产生的变形δ1，剪切力产生的变形δ2，牙根倾斜产生的变形δ3，牙根剪切变形产生的变形δ4和螺纹径向扩展、扩张和收缩变形δ5等五部分之和，其表达式为
联立(14)和(15)式可得螺栓螺纹和螺母螺纹的轴向变形Δb、Δn分别为
考虑εb，εn，Δb和Δn之间的变形协调关系可得
若令Eb＝En，将式(12)和(16)带入变形协调方程即可得到
式(18)是一个二阶变系数线性微分方程，可采用数值解法中的边值问题求得弯矩M，其边界条件为
因此，将边值求解得到的dM/dz带入式(14)就可以求得附加弯矩M在微区域内产生的作用力S2(z)。
3、ST(z)的确定
考虑螺纹柔性时，摩擦力Ff在螺纹面上也会产生随位置不同而变化的应力，如附图5所示。螺栓杆任意位置z处的剪力为FT(z)，相应的螺栓和螺母的径向应变γb、γn分别为
式中，fb和fn分别为螺栓和螺母的剪切形状系数；Gb和Gn分别为螺栓和螺母的剪切模量；Ab和An分别为螺栓和螺母的有效横截面积。
同样道理，作用于z和z+dz之间螺纹牙上的横向载荷dFT为
由式(21)可以得到
螺栓螺纹径向变形ub和螺母螺纹径向变形un的计算公式为
式(23)中和为螺栓和螺母的径向刚度，其计算公式分别为
式中，D0是以d2为内径且与螺母六角形面积相等的圆的直径，P为螺纹螺距，νb和νn分别为螺栓和螺母的泊松比。
联立式(22)和(23)可得螺栓螺纹和螺母螺纹的径向变形ub、un分别为
同理，由螺栓与螺母之间的变形协调条件
若令Eb＝En，vb＝vn＝v，将式(20)和(25)带入变形协调方程(26)，可得
式中，vb和vn分别为螺栓和螺母的泊松比。
式(27)是一个二阶变系数线性微分方程，同样可采用数值解法中的边值问题求得横向载荷FT，其边界条件为
因此，将边值求解得到的dFT/dz带入式(22)即可求得横向载荷FT在微区域内产生的横向作用力ST(z)。
第四步：螺纹临界松动载荷的求解
第三步求解得到的ST和S是和螺栓预紧力FP、附加弯矩M以及横向摩擦力Ff相关的量，由式(1)可知附加弯矩M是和横向载荷相关的参量。因此，在边值问题求解时可按照单位载荷作用进行求解，将求解结果代入式(7)(8)(9)即可得到螺纹面作用力Sb、Sτ和Sn。若螺纹面任何区域不发生滑动，则螺纹连接松动的条件为
其中，μ为螺纹接触面的摩擦系数。
将Sb、Sτ和Sn代入式(29)，其中只有螺栓预紧力FP以及横向摩擦力Ff两个未知参数，因此，针对某一螺栓预紧力即可求出该预紧力下螺纹的临界松动横向载荷。若螺栓预紧力和横向载荷已知，通过式(29)即可直接判断出现滑移松动的螺纹部分。
实施例一：
以6.8级M16标准六角螺栓为研究对象，螺栓、螺母与连接板间的摩擦系数均为0.15，表1所示为M16螺栓的基本结构参数。施加螺栓屈服载荷的70％(53kN)的螺栓预紧力，并施加70％临界滑动载荷的横向力(5.6kN)，通过计算得到螺纹的载荷、应力以及螺纹连接的临界松动载荷。
表1 M16螺栓基本结构参数
螺栓预紧力FP、附加弯矩M以及横向摩擦力Ff作用下螺纹轴向载荷分布、附加弯矩分布以及横向载荷分布如附图6-8所示。
柔性螺纹螺母支撑面处轴向载荷、弯矩和横向载荷均为最大，并且随着与螺母支撑面距离的增加均出现快速下降的趋势。表2给出了每圈螺纹轴向力F(z)、弯矩M(z)以及横向力FT(z)相对于所施加载荷的占比。从表中可以看出，靠近螺母支撑面两圈螺纹的轴向力、弯矩以及横向载荷几乎均达到了外载荷的50％以上，而最后远离螺母支撑面的三圈螺纹的轴向力、弯矩以及横向载荷均不到外载荷的30％,由此可见螺纹的载荷主要集中在靠近螺母支撑面的两圈螺纹。
表2每圈螺纹载荷的变化范围
注:表中()内为该圈螺纹对应载荷占比的变化幅度
螺纹面切向应力分布、法向应力分布以及径向应力分布如附图9-11所示。
柔性螺纹模型的三个螺纹应力在靠近螺母支撑面的螺纹部分应力较大，随着与螺母支撑面距离的增加而呈现周期性衰减的分布。其中切向应力和法向应力最大值的位置均超前于刚性螺纹，最小值的位置和刚性螺纹相同；径向应力最值均和刚性螺纹相同。表3给出了组合载荷作用下刚性螺纹和柔性螺纹每圈螺纹应力的最大值。柔性螺纹每圈最大切向应力相对于刚性螺纹从2.15倍减小到0.48倍；最大法向应力相对于刚性螺纹从1.71倍减小到0.41倍；最大径向应力相对于刚性螺纹从4.13倍减小到0.82倍。由此可见，刚性螺纹计算得到的螺纹应力只能代表螺纹中某些少部分位置，而柔性螺纹可以更好的反映螺纹应力的整体变化形势。
表3组合载荷产生的最大切向、法向和径向应力
根据图12可以看出，靠近螺母支撑面的第一圈螺纹临界松动载荷最小，随着与螺母支撑面距离的增大，螺纹的最小临界松动载荷呈现出递增的趋势，由此可见，横向载荷作用下靠近螺母支撑面的螺纹更易发生松动。
螺纹临界松动载荷与螺栓连接结构的多个参数有关，基于推导的考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，分析螺栓预紧力、螺纹接触面摩擦系数以及螺栓夹紧长度等参数对螺栓临界松动载荷的影响。为了便于对比分析，以每圈有效啮合螺纹的最小临界松动载荷进行说明。
根据图13可以看出，施加螺栓屈服载荷的30％(23kN)、50％(38kN)、70％(53kN)和90％(68kN)的四种螺栓预紧力条件下，第一圈螺纹的最小临界松动载荷分别为1.82kN、3.01kN、4.19kN和5.38kN；最后一圈螺纹的最小临界松动载荷分别为2.24kN、3.70kN、5.15kN和6.61kN。由此可见，随着螺栓预紧力增加，各圈螺纹的临界松动载荷都相应增大，但螺纹临界松动载荷在靠近支撑面的增长幅度要小于远离支撑面的增长幅度，即螺栓预紧力的变化对远离支撑面螺纹的临界松动载荷影响更大。
根据图14可以看出，改变螺纹接触面摩擦系数分别为0.1、0.15、0.2和0.25四种情况，与螺栓预紧力影响的变化规律类似，增大螺纹接触面摩擦系数，螺纹临界松动载荷同样会增大。四种摩擦系数下，第一圈螺纹的最小临界松动载荷分别为2.7kN、4.19kN、5.39kN和6.39kN；最后一圈螺纹的最小临界松动载荷分别为3.33kN、5.15kN、6.61kN和7.83kN。由此可见，随着螺纹接触面摩擦系数的增加，各圈螺纹的临界松动载荷相应增大，但对靠近螺母支撑面螺纹的最小临界松动载荷影响不大，而对远离螺母支撑面螺纹的最小临界松动载荷影响相对较大。
根据图15可以看出，改变螺栓夹紧长度分别为6mm、12mm、18mm和24mm四种情况，螺栓连接夹紧长度的改变对各圈螺纹最小临界松动载荷的影响几乎相同。与此同时，随着夹紧长度的增大，螺纹的临界松动载荷逐渐减小。四种夹紧长度条件下，第一圈螺纹的最小临界松动载荷分别为4.70kN、4.43kN、4.19kN和3.98kN，最后一圈螺纹的最小临界松动载荷分别为5.81kN、5.46kN、5.15kN和4.88kN，四种夹紧长度最小临界松动载荷的比值为1.18:1.12:1.05:1，其变化的幅度小于夹紧长度的变化幅度。

Claims (6)

1.一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于包括如下步骤：
首先根据螺栓连接节点的约束条件和螺纹连接松动的特性建立螺栓节点简化力学模型，通过力学分析求解螺纹部分所承受的外载荷，进而通过分析螺纹表面微元的作用力与外载荷的关系建立螺纹连接松动的条件；其次结合YAMATOTO理论中螺纹承受轴向载荷和径向载荷的刚度以及不同变形下的变形协调条件对螺纹表面的作用力进行求解，最后代入螺纹连接松动条件中即可得到螺纹连接临界松动载荷。
2.根据权利要求1所述的一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于所述螺栓节点简化力学模型：螺栓一端穿过上、下连接板，并由螺母紧固，上、下连接板沿相反方向错开，忽略上、下连接板间的摩擦力，但考虑螺栓、螺母与连接板间的摩擦，此时螺栓承载上下连接板的横向载荷FT及螺栓预紧力FP，螺栓杆产生附加弯矩M，此为螺栓连接节点力学模型。
3.根据权利要求2所述的一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于所述螺纹部分所承受的外载荷求解过程为：简化力学模型为一次静不定问题，根据卡氏定理计算可得横向载荷FT作用下，螺栓上作用的摩擦力Ff＝FT和附加弯矩。
4.根据权利要求3所述的一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于所述螺栓上作用的外载荷包括螺栓预紧力FP、附加弯矩M以及横向摩擦力Ff，以螺栓轴线为Z轴，螺栓螺纹中心为原点，建立坐标系Oxyz；假设在螺纹面上的作用力沿螺纹径向均匀分布，螺纹面上的作用力分解为径向，切向和法向三个方向，分别用Sb、Sτ和Sn表示：
Sτ＝STsinθcosβ+Ssinβ
Sn＝ST(sinθsinβcosα-cosθsinα)-Scosβ
Sb＝-ST(cosθcosα+sinβsinθsinα)
ST为摩擦力Ff在微区域上产生的横向作用力，S为螺栓预紧力FP和附加弯矩M作用下在微区域内的作用力之和，α为Y轴扭转角，β为X轴扭转角，θ为Z轴扭转角。
5.根据权利要求4所述的一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于所述螺栓预紧力FP在微区域内产生的作用力表示为S1(z)，附加弯矩M在微区域内产生的作用力表示为S2(z)，
式中，kb和kn为螺栓和螺母的纵向刚度，其大小与螺纹结构以及泊松比等参数有关；Ab和An为螺栓和螺母的横截面面积；Eb和En为螺栓和螺母的弹性模量；
其中：dM(z)表示螺栓杆任意位置的弯矩，d2为螺栓的公称直径；
横向载荷FT在微区域内产生的横向作用力ST(z)
6.根据权利要求4所述的一种考虑螺纹柔性的螺栓临界松动载荷计算方法，其特征在于所述螺纹连接松动条件为其中，μ为螺纹接触面的摩擦系数，将所述Sb、Sτ和Sn代入上式，即可求出该预紧力下螺栓的临界松动横向载荷。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110795800A (zh) * 2019-10-22 2020-02-14 广州广电计量检测股份有限公司 一种螺杆刚度确定方法
CN110909425A (zh) * 2019-11-04 2020-03-24 西安交通大学 一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法
CN111241730A (zh) * 2020-01-07 2020-06-05 北京理工大学 一种螺纹连接临界横向力的确定方法及装置
CN111553066A (zh) * 2020-04-22 2020-08-18 大连理工大学 一种螺纹连接临界横向载荷精确计算方法
CN112360941A (zh) * 2020-10-27 2021-02-12 西北工业大学 一种基于多滚柱承载的行星滚柱丝杠螺纹牙受力计算方法
CN113849937A (zh) * 2021-10-14 2021-12-28 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司 一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法、设备及存储介质
CN117494344A (zh) * 2023-11-13 2024-02-02 中船海为高科技有限公司 一种非等距螺纹连接副的设计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105538040A (zh) * 2016-02-23 2016-05-04 大连理工大学 一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置
CN106650146A (zh) * 2016-12-29 2017-05-10 西安交通大学 一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法
CN108460237A (zh) * 2018-04-08 2018-08-28 大连理工大学 一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法
US20190101362A1 (en) * 2017-09-30 2019-04-04 Robert E. Stewart Mounting and fastening system clamp and clamp assembly
CN109829185A (zh) * 2018-12-13 2019-05-31 铠龙东方汽车有限公司 一种基于预紧力的螺母松动分析方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105538040A (zh) * 2016-02-23 2016-05-04 大连理工大学 一种加工中心床身与立柱螺栓连接状态检测方法及装置
CN106650146A (zh) * 2016-12-29 2017-05-10 西安交通大学 一种转子系统轴承支座松动故障在线定量识别分析方法
US20190101362A1 (en) * 2017-09-30 2019-04-04 Robert E. Stewart Mounting and fastening system clamp and clamp assembly
CN108460237A (zh) * 2018-04-08 2018-08-28 大连理工大学 一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法
CN109829185A (zh) * 2018-12-13 2019-05-31 铠龙东方汽车有限公司 一种基于预紧力的螺母松动分析方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIANHUA LIU等: "Study on self-loosening of bolted joints excited by dynamic axial load", 《TRIBOLOGY INTERNATIONAL》 *
MINGYUAN ZHANG等: "Finite element modelling and experimental validation of bolt loosening due to thread wear under transverse cyclic loading", 《ENGINEERING FAILURE ANALYSIS》 *
张明远等: "横向载荷作用下螺栓临界松动载荷数值计算方法研究", 《机械工程学报》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110795800A (zh) * 2019-10-22 2020-02-14 广州广电计量检测股份有限公司 一种螺杆刚度确定方法
CN110909425A (zh) * 2019-11-04 2020-03-24 西安交通大学 一种可消除载荷超程的螺栓法兰连接工艺优化设计方法
CN111241730A (zh) * 2020-01-07 2020-06-05 北京理工大学 一种螺纹连接临界横向力的确定方法及装置
CN111241730B (zh) * 2020-01-07 2021-10-29 北京理工大学 一种螺纹连接临界横向力的确定方法及装置
CN111553066A (zh) * 2020-04-22 2020-08-18 大连理工大学 一种螺纹连接临界横向载荷精确计算方法
CN111553066B (zh) * 2020-04-22 2023-06-27 大连理工大学 一种螺纹连接临界横向载荷精确计算方法
CN112360941A (zh) * 2020-10-27 2021-02-12 西北工业大学 一种基于多滚柱承载的行星滚柱丝杠螺纹牙受力计算方法
CN112360941B (zh) * 2020-10-27 2021-10-15 西北工业大学 一种基于多滚柱承载的行星滚柱丝杠螺纹牙受力计算方法
CN113849937A (zh) * 2021-10-14 2021-12-28 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司 一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法、设备及存储介质
CN113849937B (zh) * 2021-10-14 2024-06-21 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司 一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法、设备及存储介质
CN117494344A (zh) * 2023-11-13 2024-02-02 中船海为高科技有限公司 一种非等距螺纹连接副的设计方法

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