CN113779748A - 一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺栓拧紧工艺技术领域，具体涉及一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法和装置。该方法包括：根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获取目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}；以目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于F_{b max}为约束条件，确定出F_{M min}；根据F_{M min}，确定目标螺栓的设计参数；根据目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定目标螺栓的起始扭矩M_q；根据目标螺栓的设计参数和M_q，确定出目标螺栓的转角θ。本发明实施例以目标螺栓拧紧变形至屈服点的轴力为目标值，确定出目标螺栓的设计参数，准确地获得了与发动机螺栓拧紧工艺相关的目标螺栓的起始扭矩和转角。

Description

一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法和装置

技术领域

本发明涉及螺栓拧紧工艺技术领域，具体涉及一种发动机螺栓拧紧工艺计算 方法和装置。

背景技术

发动机关键螺栓分别用于发动机主要系统及机构的紧固联接，受到较大的交 变载荷。因此在螺栓装配阶段需对螺栓联接系统施加足够、适当的预紧力，以克 服装配过程因被连接件被压缩、长时间运行后螺栓或被连接件蠕变而产生的夹紧 力衰减，导致螺栓联接失效，出现发动机损坏等严重故障。这样，预先获知发动 机螺栓拧紧工艺的拧紧参数，制定合理的拧紧工艺对于螺栓联接系统的可靠性至 关重要。

因此，如何准确获得发动机螺栓拧紧工艺的拧紧参数，是目前亟需解决的技 术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法和装置，以降低热轧 工艺的生产成本。

为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：

第一方面，本发明实施例提供一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法，所述方法 包括：

步骤11，根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获取所述目标螺 栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}；

步骤12，以所述目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于F_{b max}为约束条件， 确定出F_{M min}；

步骤13，根据F_{M min}，确定所述目标螺栓的设计参数；

步骤14，根据所述目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定所述目标螺栓的起始扭 矩M_q；其中，M_A根据所述目标螺栓的屈服点轴力F_M与所述目标螺栓的设计参数 确定；F_M根据F_{M min}和所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}确定；F_{M max}根据 所述目标螺栓的设计参数确定；

步骤15，根据所述目标螺栓的设计参数和M_q，确定出所述目标螺栓的转角θ。

在一种可能的实施例中，所述步骤11，包括：

计算所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}，具体的计算 公式为：

F_{b max}＝α×F_{b min}；

其中，α为大于1的第一参数；

若所述目标螺栓受到横向载荷 F_q，则所述目标螺栓对应联接系统的最小需求装配预紧力

若所述目标螺栓受到轴向拉伸载荷，则

若所述目标螺栓受到扭转载荷，则

其中，n为所述目标螺栓对应联接系统结合面数，μ为所述目标螺栓对应联 接系统结合面的摩擦系数，f为所述目标螺栓对应联接系统受载荷后变形量，δ_b为 所述目标螺栓的总柔度，δ_s为所述目标螺栓对应被联接件柔度，D_w为所述目标螺 栓的联接法兰面外径，d₁为所述联接法兰面内径，P_max为所述联接法兰面所承受 的内部最大压力，M为所述联接系统扭转力矩，r为M与所述目标螺栓紧固点当 量半径。

在一种可能的实施例中，所述步骤13，包括：

根据所述目标螺栓的最小屈服点轴力与设计参数的关系公式，确定所述目标 螺栓的设计参数；其中，所述关系公式为：

其中，γ为屈服点利用系数，R_{p 0.2min}为最小屈服强度，A_s为所述目标螺栓 的螺纹应力截面积，d₀为所述目标螺栓应力截面积当量直径，d₂为所述目标螺栓 中径，α′为所述目标螺栓螺纹牙侧角，P为所述目标螺栓的螺距，μ_{s max}为所述目 标螺栓的最大摩擦系数。

在一种可能的实施例中，所述步骤14，包括：

计算所述目标螺栓的起始扭矩M_q，具体计算公式为：

其中，M_A为所述目标螺栓的屈服点扭矩；μ_s为所述目标螺栓的摩擦系数； μ_{s min}为所述目标螺栓的最小摩擦系数；R_{p 0.2max}为最大屈服强度；

为所述目 标螺栓对应联接系统的支撑面当量半径。

在一种可能的实施例中，所述步骤15，包括：

计算所述目标螺栓的转角θ，具体计算公式为：

其中，C_b为所述目标螺栓的刚度；C_s为所述目标螺栓对应被联接件综合刚度； F_q为M_q对应的轴力。

6、根据权利要求5所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所 述步骤15之后，所述方法还包括：

根据F_{M min}、F_{M max}和M_q，确定出所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁；

若L₁大于设定阈值，则以降低所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}为目标， 更新所述目标螺栓的设计参数，并重复步骤14至步骤15。

在一种可能的实施例中，所述根据F_{M min}、F_{M max}和M_q，确定出所述目标螺 栓的残余塑性变形量L₁，包括：

计算所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁，具体计算公式为：

第二方面，本发明实施例提供了一种发动机螺栓拧紧工艺计算装置，所述装 置包括：

第一获取模块，用于根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获取 所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}；

第一确定模块，用于以所述目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于F_{b max}为约束条件，确定出F_{M min}；

第二确定模块，用于根据F_{M min}，确定所述目标螺栓的设计参数；

第三确定模块，用于根据所述目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定所述目标螺栓 的起始扭矩M_q；其中，M_A根据所述目标螺栓的屈服点轴力F_M与所述目标螺栓的 设计参数确定；F_M根据F_{M min}和所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}确定； F_{M max}根据所述目标螺栓的设计参数确定；

第四确定模块，用于根据所述目标螺栓的设计参数和M_q，确定出所述目标螺 栓的转角θ。

在一种可能的实施例中，所述第一获取模块，包括：

第一计算模块，用于计算所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}，具体的计算公式为：

F_{b max}＝α×F_{b min}；

其中，α为大于1的第一参数；

若所述目标螺栓受到横向载荷 F_q，则所述目标螺栓对应联接系统的最小需求装配预紧力

若所述目标螺栓受到轴向拉伸载荷，则

若所述目标螺栓受到扭转载荷，则

其中，n为所述目标螺栓对应联接系统结合面数，μ为所述目标螺栓对应联 接系统结合面的摩擦系数，f为所述目标螺栓对应联接系统受载荷后变形量，δ_b为 所述目标螺栓的总柔度，δ_s为所述目标螺栓对应被联接件柔度，D_w为所述目标螺 栓的联接法兰面外径，d₁为所述联接法兰面内径，P_max为所述联接法兰面所承受 的内部最大压力，M为所述联接系统扭转力矩，r为M与所述目标螺栓紧固点当 量半径。

在一种可能的实施例中，所述第二确定模块，包括：

第五确定模块，用于根据所述目标螺栓的最小屈服点轴力与设计参数的关系 公式，确定所述目标螺栓的设计参数；其中，所述关系公式为：

其中，γ为屈服点利用系数，R_{p 0.2min}为最小屈服强度，A_s为所述目标螺栓 的螺纹应力截面积，d₀为所述目标螺栓应力截面积当量直径，d₂为所述目标螺栓 中径，α′为所述目标螺栓螺纹牙侧角，P为所述目标螺栓的螺距，μ_{s max}为所述目 标螺栓的最大摩擦系数。

在一种可能的实施例中，所述第三确定模块，包括：

第二计算模块，用于计算所述目标螺栓的起始扭矩M_q，具体计算公式为：

其中，M_A为所述目标螺栓的屈服点扭矩；μ_s为所述目标螺栓的摩擦系数； μ_{s min}为所述目标螺栓的最小摩擦系数；R_{p 0.2max}为最大屈服强度；

为所述目 标螺栓对应联接系统的支撑面当量半径。

在一种可能的实施例中，所述第四确定模块，包括：

第三计算模块，用于计算所述目标螺栓的转角θ，具体计算公式为：

其中，C_b为所述目标螺栓的刚度；C_s为所述目标螺栓对应被联接件综合刚度； F_q为M_q对应的轴力。

在一种可能的实施例中，所述装置，还包括：

第六确定模块，用于在所述第四确定模块工作之后，根据F_{M min}、F_{M max}和M_q， 确定出所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁；

第一更新模块，用于若L₁大于设定阈值，则以降低所述目标螺栓的最大屈服 点轴力F_{M max}为目标，更新所述目标螺栓的设计参数，并发回所述第三确定模块。

在一种可能的实施例中，所述第六确定模块，包括：

第四计算模块，用于计算所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁，具体计算公式 为：

第三方面，本发明实施例提供一种发动机螺栓拧紧工艺计算设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现第一方面中所述的发动机螺栓拧紧 工艺计算方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机 程序，所述计算机程序被处理器执行时以实现第一方面中所述的发动机螺栓拧紧 工艺计算方法的步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明基于螺栓受力变形原理，根据发动机对于目标螺栓对应联接系统的外 载荷及螺栓布置形式，确定螺栓所需最大需求装配预紧力；以螺栓拧紧变形至屈 服点的轴力为目标，确定最小屈服点轴力；最后根据螺栓拧紧要求，确定起始扭 矩范围及转角。本发明以目标螺栓拧紧变形至屈服点的轴力为目标值，确定出目 标螺栓的设计参数，准确地获得了与发动机螺栓拧紧工艺相关的目标螺栓的起始 扭矩和转角。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前 提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种扭矩-转角法拧紧工艺的曲线示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发动机螺栓拧紧工艺计算装置的结构示意图。

具体实施方式

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清楚、 完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都 属于本发明实施例保护的范围。

对于发动机关键螺栓，目前使用最为普遍的拧紧工艺为扭矩-转角法。在初 始拧紧阶段，存在螺栓螺纹与被联接件内螺纹旋合、螺栓头部与被联接件表面贴 合的过程，对螺栓施加一个不大的起始扭矩，可以克服初始贴合阶段接触面微观 不平整、螺纹制造误差等不均匀因素，使螺栓与被联接件压实紧贴，此时螺栓拧 紧时产生的轴力与拧紧角度成正比，通过控制转角就可以较为精准地控制轴力。 通常以屈服点轴力为目标值通过扭矩-转角法拧紧，当螺栓拧紧至屈服点附近， 轴力与螺栓变形量曲线斜率明显减小，此时螺栓的形变率较大，但轴力变化率较 小，可避免因螺栓尺寸、摩擦系数等误差导致轴力散差过大，实现螺栓轴力的精 准控制及螺栓材料强度的充分利用。但螺栓变形不宜过大，否则会出现螺栓松动、 拉断等风险，因此基于屈服点的拧紧工艺方法既能实现轴力精准控制，又能避免 螺栓失效。

制定合理的扭矩-转角法拧紧工艺对于实现螺栓轴力的精准控制、保证螺栓 联接系统的可靠性至关重要。现有的拧紧工艺制定方法主要适用于扭矩法，根据 目标轴力设定相应的扭矩，这种方法实施简单，但计算精度较低，无法用于塑性 域拧紧的扭矩-转角法的工艺制定。现有扭矩-转角法拧紧工艺的制定方法主要通 过试验手段，需要通过实时监控测量轴力、扭矩、转角等参数进行综合分析后确 定，但对于试验设备精度及功能要求较高，试验成本较高，且试验准备周期较长， 不适用于关键螺栓的快速、较低成本的开发。

为此，本发明实施例希望提供一种发动机螺栓拧紧工艺计算方案，来提高发 动机螺栓拧紧工艺最终的计算精度。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法 的流程图，具体包括步骤11至步骤15。

步骤11，根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获取所述目标螺 栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}。

具体的，目标螺栓在发动机中，对应有一联接系统，目标螺栓的作用在于将 该对应联接系统拧紧固定。在这个过程中，由于联接系统具体结构不同，目标螺 栓在对应联接系统中的载荷承受情况也会不同，导致目标螺栓的最大装配预紧力 F_{b max}也会不同。

目标螺栓在对应联接系统中常见的载荷承受情况可以为承受横向载荷情况， 可以为承受轴向拉伸载荷，还可以为扭转载荷，具体可以采用力学分析计算方式 和/或实际测试的方式来获得不同情况下目标螺栓的最大装配预紧力F_{b max}。

这里，本实施例还提供了一种计算获得目标螺栓的最大装配预紧力F_{b max}的 方案，包括步骤21。

步骤21，计算所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}，具 体的计算公式为：

F_{b max}＝α×F_{b min}；

其中，α为大于1的第一参数；

若所述目标螺栓受到横向载荷 F_q，则所述目标螺栓对应联接系统的最小需求装配预紧力

若所述目标螺栓受到轴向拉伸载荷，则

若所述目标螺栓受到扭转载荷，则

其中，n为所述目标螺栓对应联接系统结合面数，μ为所述目标螺栓对应联 接系统结合面的摩擦系数，f为所述目标螺栓对应联接系统受载荷后变形量，δ_b为 所述目标螺栓的总柔度，δ_s为所述目标螺栓对应被联接件柔度，D_w为所述目标螺 栓的联接法兰面外径，d₁为所述联接法兰面内径，P_max为所述联接法兰面所承受 的内部最大压力，M为所述联接系统扭转力矩，r为M与所述目标螺栓紧固点当 量半径。

本步骤中，根据发动机螺栓联接系统受力特点，将发动机外载荷形式分为三 种：横向载荷或扭矩产生的剪切力，轴向拉伸载荷以及扭转载荷。相应地，给出 了三种情况下目标螺栓对应联接系统的最小需求装配预紧力F_{b min}计算方式。

目标螺栓在预紧过程中，由于选用的拧紧工具差异会导致其拧紧精度不同， 并且因被联接件的特点，如材料特性、表面加工状态，到导致在拧紧后初期出现 轴力衰减，因此，为保证目标螺栓对应联接系统的可靠性，本实施例根据F_{b min}计 算出了目标螺栓联接系统最大需求装配预紧力F_{b max}，本步骤中α可以取1.6

步骤12，以所述目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于F_{b max}为约束条件， 确定出F_{M min}。

具体的，本步骤根据目标螺栓最大需求装配预紧力F_{b max}，确定出F_{M min}， 要求F_{M min}≥F_{b max}。以螺栓拧紧变形至屈服点的轴力为目标值，将F_{M min}作为 目标螺栓最小屈服点轴力。

步骤13，根据F_{M min}，确定所述目标螺栓的设计参数。

具体的，目标螺栓中如螺纹直径、螺纹摩擦系数及强度等关键设计参数能够 决定目标螺栓屈服点轴力的大小，因此可以结合对应关系，根据目标螺栓最小屈 服点轴力，定义出螺栓关键的设计参数。

这里，本实施例还提供了一种确定目标螺栓的设计参数的方案，具体包括步 骤31。

步骤31，根据所述目标螺栓的最小屈服点轴力与设计参数的关系公式，确定 所述目标螺栓的设计参数；其中，所述关系公式为：

其中，γ为屈服点利用系数，R_{p 0.2min}为最小屈服强度，A_s为所述目标螺栓 的螺纹应力截面积，d₀为所述目标螺栓应力截面积当量直径，d₂为所述目标螺栓 中径，α′为所述目标螺栓螺纹牙侧角，P为所述目标螺栓的螺距，μ_{s max}为所述目 标螺栓的最大摩擦系数。

具体的，目标螺栓的设计参数包括A_s、d₀、d₂和α′，根据目标螺栓的最小屈 服点轴力与设计参数的关系公式，可以确定出符合要求的目标螺栓的设计参数。

步骤14，根据所述目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定所述目标螺栓的起始扭 矩M_q。

其中，M_A根据所述目标螺栓的屈服点轴力F_M与所述目标螺栓的设计参数确 定；F_M根据F_{M min}和所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}确定；F_{M max}根据所 述目标螺栓的设计参数确定。

具体的，目标螺栓的起始扭矩M_q与目标螺栓的屈服点扭矩M_A存在对应关系， 本步骤可以根据目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定出目标螺栓的起始扭矩M_q。

在实际操作中，可以先根据目标螺栓的设计参数确定出 目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}，然后再通过对F_{M max}和F_{M min}作加权或求平 均等处理，确定出目标螺栓的屈服点轴力F_M，最后再根据F_M与目标螺栓的设计 参数确定出目标螺栓的屈服点扭矩M_A。

这里，本实施例还提供了一种通过计算获得目标螺栓的屈服点扭矩M_A的方案， 具体包括步骤41。

步骤41，计算所述目标螺栓的起始扭矩M_q，具体计算公式为：

其中，M_A为所述目标螺栓的屈服点扭矩；μ_s为所述目标螺栓的摩擦系数； μ_{s min}为所述目标螺栓的最小摩擦系数；R_{p 0.2max}为最大屈服强度；

为所述目 标螺栓对应联接系统的支撑面当量半径。

本步骤中，考虑在批产状态下不同批次间螺栓螺纹直径、摩擦系数及强度均 存在一定散差，在相同的拧紧工艺下，导致螺栓屈服点轴力也存在一定散差，因 此，可以先根据目标螺栓的设计参数确定出目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}， 即目标螺栓对应联接系统的最大装配预紧力。

在获得F_{M max}之后，可以通过加权或平均等方式，确定出目标螺栓的屈服点 轴力F_M，这个过程中要求保证F_{M min}≤F_M≤F_{M max}。

此外，在批产状态下螺栓屈服点的轴力及扭矩均存在一定的散差，为使拧紧 工艺满足不同状态下的螺栓，在计算时，轴力、摩擦系数及扭矩可以取算数平均 值等方式来确定。

根据螺栓装配边界，相应地，目标螺栓拧紧至屈服点后扭矩仍遵循弹性区域 扭矩与轴力为线性关系，即：

式中P为螺距，μ_G为承压面摩擦系数，为降低摩擦系数对于轴力及扭矩的影 响，通常在螺栓摩擦系数定义中，μ_G和μ_s定义的范围相同。

因此，在计算不同批次状态下屈服点扭矩的范围时，即确定扭矩上下限值 时，可认为μ_G＝μ_s。目标螺栓的屈服点扭矩M_A可表示为：

根据上述公式推导，当屈服强度范围R_{p 0.2}和摩擦系数μ_s同时最大时，屈服点 扭矩M_A最大；反之，当屈服强度范围R_{p 0.2}和摩擦系数μ_s同时最小时，屈服点扭 矩M_A最小。本实施例根据螺纹摩擦系数及承压面摩擦系数定义相同，简化了扭矩 值上下限的计算方法，提高了计算效率。

如图2所示为本发明实施例提供的一种扭矩-转角法拧紧工艺的曲线示意图， 在该拧紧工艺中，设定起始扭矩的目的是为了克服初始贴合阶段接触面微观不平 整、螺纹制造误差等不均匀因素，使螺栓与被联接件压实紧贴，此时螺栓拧紧时 产生的轴力与拧紧角度成正比，再通过控制转角就可以较为精准地控制轴力。

为方便计算，起始扭矩通常取1/3倍屈服点扭矩平均值M_{A mid}和0.3倍屈服 点平均值轴力F_{M mid}中对应的扭矩值两者之间最大值来定义。

即：

起始扭矩M_q对应的轴力为F_q。

本实施例提供了两种定义起始扭矩的方法及选取规则，一种为1/3倍屈服点 平均扭矩，或者30％屈服点平均轴力值，取两种之间的最大值为起始扭矩范围。 保证了螺栓拧紧至起始扭矩后，螺栓的轴力与转角之间为线性关系，便于转角阶 段对于轴力的精准控制。

步骤15，根据所述目标螺栓的设计参数和M_q，确定出所述目标螺栓的转角θ。

具体的，目标螺栓经过起始扭矩M_q拧紧后，目标螺栓与被联接系统的刚度保 持不变，即目标螺栓与被联接系统的变形与其所受外力成正比，而目标螺栓是通 过转角使目标螺栓均匀变形；因此，此时螺栓拧紧时产生的轴力与拧紧角度成正 比，可以以此来确定出目标螺栓的转角θ。

这里，本实施例还提供了一种通过计算来确定目标螺栓的转角θ的方案，具 体包括步骤51。

步骤51，计算所述目标螺栓的转角θ，具体计算公式为：

其中，C_b为所述目标螺栓的刚度；C_s为所述目标螺栓对应被联接件综合刚度； F_q为M_q对应的轴力。

具体的，对于对应联接系统中与目标螺栓相对的被联接部分，通常包含几种 不同材料的零件，

C_i＝E_i×A_i，其中A_i为被连接件承压面积，以此可以 计算出目标螺栓对应被联接件综合刚度。

本实施例根据螺栓拧紧曲线特性，分析了当螺栓拧紧至起始扭矩时，螺栓与 被联接件的刚度保持不变，且螺栓是通过转角发生均匀变形，确认螺栓轴力与转 角存在线性关系，以此提供了一种轴力与转角的计算方法。

由于上述实施例中仅通过步骤13确定目标螺栓的设计参数，这样实际应用 中可能出现设计参数不满足最终的设计要求，这里本实施例在这里还提供了一种 设计参数的优化方案，使最终获得的设计参数能够满足最终的设计要求，具体在 步骤15之后，还进行步骤61至步骤62。

步骤61，根据F_{M min}、F_{M max}和M_q，确定出所述目标螺栓的残余塑性变形量 L₁。

具体的，可以通过对目标螺栓的拆解，获得目标螺栓的残余塑性变形量L₁。

为了提高获取效率，这里本实施例还提供了一种通过计算获取目标螺栓的残 余塑性变形量L₁的方案，具体包括步骤71。

步骤71，计算所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁，具体计算公式为：

步骤62，若L₁大于设定阈值，则以降低所述目标螺栓的最大屈服点轴力 F_{M max}为目标，更新所述目标螺栓的设计参数，并重复步骤14至步骤15。

由于螺栓轴力存在散差，基于螺栓屈服点平均轴力为目标的拧紧工艺，在遇 到螺栓轴力至大于平均轴力时，不得出现螺栓残余塑像变形率过大，使螺栓过度 拉伸，导致螺栓联接系统失效的风险。通常按照螺栓最大屈服点轴力进行校核。

这里取设定阈值T＝L×ε。其中，L为目标螺栓未旋合螺纹长度，当螺栓未 细杆，即螺栓细杆部分的直径小于螺纹中径时，L为螺栓细杆部分长度；ε为调整 参数，其范围在0.2％至0.6％之间，若ε大于0.6％，则螺栓存在过度拉长的风险， 需通过调整目标螺栓的设定参数，降低螺栓最大轴力，从而减少目标螺栓的残余 塑性变形量L₁。

应用案例

设计输入：已知发动机飞轮由6颗飞轮螺栓固定，发动机在运转时，通过飞 轮传递发动机扭矩，发动机端对于飞轮螺栓的扭矩为1000Nm，飞轮螺栓中心线 距曲轴旋转中点半径为r＝35mm；飞轮采用中碳合金钢SCM435，飞轮采用45# 钢。飞轮安装面粗糙度Rz≤16μm，端面摩擦系数为0.15，通过查询螺栓受载总 变形量为f＝12.5μm，飞轮螺栓的柔度为0.81×10^-6mm/N，飞轮的柔度为 0.11×10^-6mm/N。

S1：发动机端的扭矩转化为总的横向载荷

飞轮螺栓的 横向载荷为

飞轮螺栓的工作环境接近机舱温度， 暂不考虑因高温蠕变导致螺栓的轴力衰减。

S2：飞轮螺栓为关键螺栓，通常采用电动拧紧机拧紧，则飞轮螺栓联接系统 最大需求装配预紧力F_{b max}＝α×F_{b min}＝72.7kN。

S3：初选飞轮螺栓规格为M12×1.25，10.9级，屈服强度范围为940-1040MPa， 摩擦系数范围为0.08-0.14，采用磷化后涂螺纹锁固胶。螺栓头部直径为φ17.5mm， 螺栓安装孔直径为φ13mm，螺栓长度为50mm全螺纹，旋合长度为24mm。则 计算得到螺栓最小屈服点轴力为：

S4：对应的螺栓最大屈服点轴力为：

S5：相应地，螺栓屈服点扭矩范围为104.70-176.73Nm。

S6：起始扭矩M_q的确定：起始扭矩

其中1/3倍平均扭矩值为46.905Nm，0.3倍 平均屈服点轴力对应的扭矩值为43.85Nm，则起始扭矩取整数为47Nm，对应的 起始扭矩轴力26.86kN。

S7：根据

飞轮螺栓为等缸径，且飞轮螺栓联接系统中只有飞轮一个被联接件，根据C_b＝E×A_s，转角为

通常取整数为180°。综上，螺栓拧紧初步定义工艺为 47Nm+180°。

S8：按此拧紧工艺拧紧下螺栓的可能达到的塑性变形量为

已知螺栓螺纹总长度为50mm，旋合长度为 24mm，则未旋合长度为26mm，则计算螺栓残余塑性变形率

满足0.2％-0.6％的要求，则螺栓不会出现过度拉长的风险。

总结：按已知设计输入，飞轮螺栓的拧紧工艺为47Nm+180°，螺栓最大残余 变形率为0.53％，满足要求。

基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种发动机螺栓拧紧 工艺计算装置，如图3所示为该装置实施例的结构示意图，所述装置包括：

第一获取模块81，用于根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获 取所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}；

第一确定模块82，用于以所述目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于 F_{b max}为约束条件，确定出F_{M min}；

第二确定模块83，用于根据F_{M min}，确定所述目标螺栓的设计参数；

第三确定模块84，用于根据所述目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定所述目标 螺栓的起始扭矩M_q；其中，M_A根据所述目标螺栓的屈服点轴力F_M与所述目标螺 栓的设计参数确定；F_M根据F_{M min}和所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}确定 F_{M max}根据所述目标螺栓的设计参数确定；

第四确定模块85，用于根据所述目标螺栓的设计参数和M_q，确定出所述目 标螺栓的转角θ。

在一种可能的实施例中，所述第一获取模块，包括：

第一计算模块，用于计算所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}，具体的计算公式为：

F_{b max}＝α×F_{b min}；

其中，α为大于1的第一参数；

若所述目标螺栓受到横向载荷F_Q，则所述目标螺栓对应联接系统的最小需求 装配预紧力

若所述目标螺栓受到轴向拉伸载荷，则

若所述目标螺栓受到扭转载荷，则

其中，n为所述目标螺栓对应联接系统结合面数，μ为所述目标螺栓对应联 接系统结合面的摩擦系数，f为所述目标螺栓对应联接系统受载荷后变形量，δ_b为 所述目标螺栓的总柔度，δ_s为所述目标螺栓对应被联接件柔度，D_w为所述目标螺 栓的联接法兰面外径，d₁为所述联接法兰面内径，P_max为所述联接法兰面所承受 的内部最大压力，M为所述联接系统扭转力矩，r为M与所述目标螺栓紧固点当 量半径。

在一种可能的实施例中，所述第二确定模块，包括：

第五确定模块，用于根据所述目标螺栓的最小屈服点轴力与设计参数的关系 公式，确定所述目标螺栓的设计参数；其中，所述关系公式为：

其中，γ为屈服点利用系数，R_{p 0.2min}为最小屈服强度，A_s为所述目标螺栓 的螺纹应力截面积，d₀为所述目标螺栓应力截面积当量直径，d₂为所述目标螺栓 中径，α′为所述目标螺栓螺纹牙侧角，P为所述目标螺栓的螺距，μ_{s max}为所述目 标螺栓的最大摩擦系数。

在一种可能的实施例中，所述第三确定模块，包括：

第二计算模块，用于计算所述目标螺栓的起始扭矩M_q，具体计算公式为：

其中，M_A为所述目标螺栓的屈服点扭矩；μ_s为所述目标螺栓的摩擦系数； μ_{s min}为所述目标螺栓的最小摩擦系数；R_{p 0.2max}为最大屈服强度；

为所述目 标螺栓对应联接系统的支撑面当量半径。

在一种可能的实施例中，所述第四确定模块，包括：

第三计算模块，用于计算所述目标螺栓的转角θ，具体计算公式为：

其中，C_b为所述目标螺栓的刚度；C_s为所述目标螺栓对应被联接件综合刚度； F_q为M_q对应的轴力。

在一种可能的实施例中，所述装置，还包括：

第六确定模块，用于在所述第四确定模块工作之后，根据F_{M min}、F_{M max}和M_q， 确定出所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁；

第一更新模块，用于若L₁大于设定阈值，则以降低所述目标螺栓的最大屈服 点轴力F_{M max}为目标，更新所述目标螺栓的设计参数，并发回所述第三确定模块。

在一种可能的实施例中，所述第六确定模块，包括：

第四计算模块，用于计算所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁，具体计算公式 为：

基于与前述实施例中同样的发明构思，本发明实施例还提供一种发动机螺栓 拧紧工艺计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行 的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前文任一所述发动机螺栓拧紧工 艺计算方法的步骤。

基于与前述实施例中同样的发明构思，本发明实施例还提供一种计算机可读 存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前文任一所述发 动机螺栓拧紧工艺计算方法的步骤。

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例基于螺栓受力变形原理，根据发动机对于目标螺栓对应联接系 统的外载荷及螺栓布置形式，确定螺栓所需最大需求装配预紧力；以螺栓拧紧变 形至屈服点的轴力为目标，确定最小屈服点轴力；最后根据螺栓拧紧要求，确定 起始扭矩范围及转角。本发明实施例以目标螺栓拧紧变形至屈服点的轴力为目标 值，确定出目标螺栓的设计参数，准确地获得了与发动机螺栓拧紧工艺相关的目 标螺栓的起始扭矩和转角。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算 机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软 件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计 算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、 光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(模块、系统)、和计算机程 序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的 结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或 者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可 编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个 流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指 令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得 在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从 而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或 多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本 创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲 解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明 的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等 同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤11，根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获取所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}；

步骤12，以所述目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于F_{b max}为约束条件，确定出F_{M min}；

步骤13，根据F_{M min}，确定所述目标螺栓的设计参数；

步骤14，根据所述目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定所述目标螺栓的起始扭矩M_q；其中，M_A根据所述目标螺栓的屈服点轴力F_M与所述目标螺栓的设计参数确定；F_M根据F_{M min}和所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}确定；F_{M max}根据所述目标螺栓的设计参数确定；

步骤15，根据所述目标螺栓的设计参数和M_q，确定出所述目标螺栓的转角θ。

2.根据权利要求1所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述步骤11，包括：

计算所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}，具体的计算公式为：

F_{b max}＝α×F_{b min}；

其中，α为大于1的第一参数；

若所述目标螺栓受到横向载荷F_Q，则所述目标螺栓对应联接系统的最小需求装配预紧力

若所述目标螺栓受到轴向拉伸载荷，则

若所述目标螺栓受到扭转载荷，则

其中，n为所述目标螺栓对应联接系统结合面数，μ为所述目标螺栓对应联接系统结合面的摩擦系数，f为所述目标螺栓对应联接系统受载荷后变形量，δ_b为所述目标螺栓的总柔度，δ_s为所述目标螺栓对应被联接件柔度，D_w为所述目标螺栓的联接法兰面外径，d₁为所述联接法兰面内径，P_max为所述联接法兰面所承受的内部最大压力，M为所述联接系统扭转力矩，r为M与所述目标螺栓紧固点当量半径。

3.根据权利要求2所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述步骤13，包括：

根据所述目标螺栓的最小屈服点轴力与设计参数的关系公式，确定所述目标螺栓的设计参数；其中，所述关系公式为：

其中，γ为屈服点利用系数，R_{p 0.2min}为最小屈服强度，A_s为所述目标螺栓的螺纹应力截面积，d₀为所述目标螺栓应力截面积当量直径，d₂为所述目标螺栓中径，α′为所述目标螺栓螺纹牙侧角，P为所述目标螺栓的螺距，μ_{s max}为所述目标螺栓的最大摩擦系数。

4.根据权利要求3所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述步骤14，包括：

计算所述目标螺栓的起始扭矩M_q，具体计算公式为：

其中，M_A为所述目标螺栓的屈服点扭矩；μ_s为所述目标螺栓的摩擦系数；μ_{s min}为所述目标螺栓的最小摩擦系数；R_p0.2m为最大屈服强度；

为所述目标螺栓对应联接系统的支撑面当量半径。

5.根据权利要求4所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述步骤15，包括：

计算所述目标螺栓的转角θ，具体计算公式为：

其中，C_b为所述目标螺栓的刚度；C_s为所述目标螺栓对应被联接件综合刚度；F_q为M_q对应的轴力。

6.根据权利要求5所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述步骤15之后，所述方法还包括：

根据F_{M min}、F_{M max}和M_q，确定出所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁；

若L₁大于设定阈值，则以降低所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}为目标，更新所述目标螺栓的设计参数，并重复步骤14至步骤15。

7.根据权利要求6所述的发动机螺栓拧紧工艺计算方法，其特征在于，所述根据F_{M min}、F_{M max}和M_q，确定出所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁，包括：

计算所述目标螺栓的残余塑性变形量L₁，具体计算公式为：

8.一种发动机螺栓拧紧工艺计算装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取模块，用于根据目标螺栓在对应联接系统中的载荷承受情况，获取所述目标螺栓对应联接系统的最大需求装配预紧力F_{b max}；

第一确定模块，用于以所述目标螺栓的最小屈服点轴力F_{M min}不小于F_{b max}为约束条件，确定出F_{M min}；

第二确定模块，用于根据F_{M min}，确定所述目标螺栓的设计参数；

第三确定模块，用于根据所述目标螺栓的屈服点扭矩M_A，确定所述目标螺栓的起始扭矩M_q；其中，M_A根据所述目标螺栓的屈服点轴力F_M与所述目标螺栓的设计参数确定；F_M根据F_{M min}和所述目标螺栓的最大屈服点轴力F_{M max}确定；F_{M max}根据所述目标螺栓的设计参数确定；

第四确定模块，用于根据所述目标螺栓的设计参数和M_q，确定出所述目标螺栓的转角θ。

9.一种发动机螺栓拧紧工艺计算设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现权利要求1至7任一所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时以实现权利要求1至7任一所述的方法的步骤。

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