CN113849937A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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，属于螺栓应力计算技术领域。本发明的方法包括步骤S100、采用相似三角形原理得出第i个螺栓载荷下的变形量、中心到第i螺栓载荷的距离、受压螺栓到中心孔距离和受压螺栓轴向的变形量的比值关系；步骤S200、将中心到第i螺栓载荷的距离、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系代入到步骤S100的关系式中，并做相应变换得到第i个螺栓载荷下的变形量；步骤S300、求解出关于受压螺栓到中心孔距离a的一元二次方程式；步骤S400、求解螺栓最大载荷；步骤S500、利用拉伸应力计算公式求解螺栓的应力值。本发明的方法有很强的指导性，适于推广使用。

Description

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
技术领域
本发明涉及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，属于螺栓应力计算技术领域。
背景技术
石化容器是石油和化工设备的简称，是指从石油钻采开始到运输直到加工成化工成品的一系列过程中所用到设备的总称。主要包括塔设备、换热器、反应器、储罐和各种壳装装备在内的静设备以及输送介质的动设备。
石化容器和大型钢结构件主要采用地脚螺栓的方式实现安装和固定。石化容器和大型钢结构件的在役阶段产生缺陷之一是螺栓缺陷，包括螺纹缺陷、螺栓预紧力降低、螺栓应力松弛及螺栓断裂等，当出现上述情况时，用于安装和固定设备的螺栓应力和疲劳结果增大，最终失效，这将会严重影响设备的正常与安全运行。
目前对于石化容器及大型钢结构件的地脚螺栓，没有比较精确的理论计算方法，大多基于估算或粗算，计算结果不是冒进就是保守，没有比较客观的评价地脚螺栓，尤其是设备安装在陆地上，船体上，或者安装在汽车或火车上，都会受到或地震、或海浪、或紧急刹车、抖动等产生的附加力矩，往往将其螺栓拉断，造成危害。
因此亟需一种螺栓应力计算方法，以解决石化容器及大型钢结构件的地脚螺栓没有精准的计算方法，导致设备的螺栓应力和疲劳强度增大，最终失效，影响设备的正常与安全运行的问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明提供了一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法，针对鞍式支座实现的螺栓应力计算，鞍式支座包括底座腹板和筋板，底座上横向贯通有腹板，腹板与底座垂直布置，在腹板的两侧均布有多个筋板，在底座上加工有多个用于螺栓安装的通孔；
本发明包括以下步骤：步骤S100、采用相似三角形原理得出第i个螺栓载荷下的变形量、中心到第i螺栓载荷的距离、受压螺栓到中心孔距离和受压螺栓轴向的变形量的比值关系；步骤S200、将中心到第i螺栓载荷的距离、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系代入到步骤S100的关系式中，并做相应变换得到第i个螺栓载荷下的变形量；步骤S300、求解出关于受压螺栓到中心孔距离a的一元二次方程式；步骤S400、求解螺栓最大载荷；步骤S500、利用拉伸应力计算公式求解螺栓的应力值。
具体步骤为：
步骤S100、采用相似三角形原理得出第i个螺栓载荷下的变形量δi、中心到第i螺栓载荷的距离li、受压螺栓到中心孔距离a和受压螺栓轴向的变形量b的比值关系：
Figure BDA0003303505920000021
步骤S200、将中心到第i螺栓载荷的距离li、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系li＝Li-a代入到公式(1)中，并做相应变换得到：
Figure BDA0003303505920000022
又因，第i个螺栓受力为应力与面积的乘积或应力应变胡克公式得出：
Figure BDA0003303505920000023
式中，σi为第i螺栓的应力值，Ab为螺栓面积值，εi为第i个螺栓应变，E为螺栓材料的弹性模量，δi第i个螺栓载荷下的变形量，B为组件横向截面尺寸，
Figure BDA0003303505920000024
将公式(2)代入到公式(3)中，得出第i个螺栓受力Fi：
Figure BDA0003303505920000025
同理，单位长度的螺栓载荷q，可以写成压应力乘以底座长度D的乘积，D为线性变化值，随D值的增大q值也随增大；
Figure BDA0003303505920000026
受压螺栓到中心孔距离长度a范围内的压缩区域长度受力的计算，可以通过力的平衡方程计算，F为螺栓受到的总力，其受力之和为0：
Figure BDA0003303505920000027
Figure BDA0003303505920000028
将公式(4)和公式(5)代入公式(7)得：
Figure BDA0003303505920000031
Figure BDA0003303505920000032
将公式(9)按安装螺栓的排数N，从1到N求和，得到安装的N排螺栓的一元二次方程式：
Figure BDA0003303505920000033
步骤S300、对公式(10)进行化简并解出关于受压螺栓到中心孔距离a的一元二次方程式得到受压螺栓到中心孔距离a的值：
Figure BDA0003303505920000034
步骤S400、根据力矩平衡方程求解螺栓最大载荷：
Figure BDA0003303505920000035
化简公式(12)可得：
Figure BDA0003303505920000036
将公式(4)和公式(5)代入公式(13)得：
Figure BDA0003303505920000037
化简公式(14)得：
Figure BDA0003303505920000038
公式(4)可以写成：
Figure BDA0003303505920000039
将中心到第i螺栓载荷的距离li、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系li＝Li-a代入公式(16)得：
Figure BDA0003303505920000041
将公式(15)代入到公式(17)中得：
Figure BDA0003303505920000042
步骤S500、由拉伸应力计算公式可知螺栓的应力值：
Figure BDA0003303505920000043
将公式(18)和li＝Li-a代入公式(19)，得到螺栓的应力值σ关系式为：
Figure BDA0003303505920000044
一种由附加力矩引起的螺栓应力计算设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法。
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实现一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的螺栓应力计算方法，提出石化容器及大型钢结构件的地脚螺栓受力计算方法，通过螺栓应力计算，能够有效分析设备的螺栓应力和疲劳强度变化，根据螺栓受力情况，选择有效的螺栓选配方案，以满足石化容器及大型钢结构件地脚螺栓的安装，提高设备运行的稳定性，降低设备运行风险。
2、本发明为验证力学分析仿真的正确性或工程施工现场不具备仿真计算的条件下的补充方法，尤其是对于核电厂大型设备支撑，按本方法计算可以初步确定各主要承压件的厚度和规格大小，本发明的方法有很强的指导性，适于推广使用。
附图说明
图1是鞍式支座简图；
图2是基于鞍式支座的螺栓受力分析计算方法数学模型图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：
结合图1和图2所示，本实施方式提供了一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法，针对鞍式支座实现的螺栓应力计算，鞍式支座包括底座1、腹板2和筋板3，底座1上横向贯通有腹板2，腹板2与底座1垂直布置，在腹板2的两侧均布有多个筋板3，在底座1上加工有多个用于螺栓安装的通孔，包括以下步骤：
步骤S100、采用相似三角形原理得出第i个螺栓载荷下的变形量δi、中心到第i螺栓载荷的距离li、受压螺栓到中心孔距离a和受压螺栓轴向的变形量b的比值关系：
Figure BDA0003303505920000051
步骤S200、将中心到第i螺栓载荷的距离li、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系li＝Li-a代入到公式(1)中，并做相应变换得到：
Figure BDA0003303505920000052
又因，第i个螺栓受力为应力与面积的乘积或应力应变胡克公式得出：
Figure BDA0003303505920000053
式中，σi为第i螺栓的应力值，Ab为螺栓面积值，εi为第i个螺栓应变，E为螺栓材料的弹性模量，δi第i个螺栓载荷下的变形量，B为组件横向截面尺寸，
Figure BDA0003303505920000054
将公式(2)代入到公式(3)中，得出第i个螺栓受力Fi：
Figure BDA0003303505920000055
同理，单位长度的螺栓载荷q，可以写成压应力乘以底座长度D的乘积，D为线性变化值，随D值的增大q值也随增大；
Figure BDA0003303505920000061
受压螺栓到中心孔距离长度a范围内的压缩区域长度受力的计算，可以通过力的平衡方程计算，F为螺栓受到的总力，其受力之和为0：
Figure BDA0003303505920000062
Figure BDA0003303505920000063
将公式(4)和公式(5)代入公式(7)得：
Figure BDA0003303505920000064
Figure BDA0003303505920000065
将公式(9)按安装螺栓的排数N，从1到N求和，得到安装的N排螺栓的一元二次方程式：
Figure BDA0003303505920000066
步骤S300、对公式(10)进行化简并解出关于受压螺栓到中心孔距离a的一元二次方程式得到受压螺栓到中心孔距离a的值：
Figure BDA0003303505920000067
步骤S400、根据力矩平衡方程求解螺栓最大载荷：
Figure BDA0003303505920000068
化简公式(12)可得：
Figure BDA0003303505920000069
将公式(4)和公式(5)代入公式(13)得：
Figure BDA0003303505920000071
化简公式(14)得：
Figure BDA0003303505920000072
公式(4)可以写成：
Figure BDA0003303505920000073
将中心到第i螺栓载荷的距离li、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系li＝Li-a代入公式(16)得：
Figure BDA0003303505920000074
将公式(15)代入到公式(17)中得：
Figure BDA0003303505920000075
步骤S500、由拉伸应力计算公式可知螺栓的应力值：
Figure BDA0003303505920000076
将公式(18)和li＝Li-a代入公式(19)，得到螺栓的应力值σ关系式为：
Figure BDA0003303505920000077
基于上述螺栓应力计算方法，假设螺栓载荷为：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，螺栓轴向为X向，数量为m，则螺栓各受力计算公式如下：
Figure BDA0003303505920000078
Figure BDA0003303505920000081
Figure BDA0003303505920000082
Figure BDA0003303505920000083
Figure BDA0003303505920000084
Figure BDA0003303505920000085
Figure BDA0003303505920000086
Figure BDA0003303505920000087
上述公式(21)-公式(28)中，Fx为X方向轴向力；Fy为Y方向轴向力；Fz为Z方向轴向力；Mx为X方向轴向力矩；My为Y方向轴向力矩；Mz为Z方向轴向力矩；σx为轴向拉伸应力；τ为剪切应力；σY为由附加力矩My产生的轴向应力；σz为由附加力矩Mz产生的轴向应力；m为螺栓总数量；dz为螺栓孔在Z向到中心的距离；dy为螺栓孔在Y向到中心的距离；Ip为按螺栓等效后螺栓面积；τX为剪切应力许用限值，σallow为拉伸应力许用限值；τallow为剪切应力许用限值。
具体实施方式二：
本实施方式提出一种鞍式支座的螺栓受力分析实例，按照具体实施方式一的方法进行螺栓应力计算，以校核本方法在石化容器及大型钢结构件鞍式支座螺栓应力计算的可行性。
一、设定载荷数据
X方向轴向力Fx＝45919.6N
Y方向轴向力Fy＝21944.0N
Z方向轴向力Fz＝57135.1N
X方向轴向力矩Mx＝55075222.1N·mm
Y方向轴向力矩My＝1245000N·mm
Z方向轴向力矩Mz＝42528316.5N·mm
Figure BDA0003303505920000091
二、拉伸应力
设计工况应力值：
Figure BDA0003303505920000092
三、剪切应力
设计工况应力值：
Figure BDA0003303505920000093
Figure BDA0003303505920000094
四、计算My产生的拉应力：
Figure BDA0003303505920000095
底板受压长度：
Figure BDA0003303505920000101
每组螺栓弯矩距离；
Figure BDA0003303505920000102
计算应力：
设计工况
Figure BDA0003303505920000103
五、计算Mz产生的拉应力：
Figure BDA0003303505920000107
底板受压长度；
Figure BDA0003303505920000104
每组螺栓力臂：
Figure BDA0003303505920000105
计算应力：
设计工况
Figure BDA0003303505920000106
六、校核计算
设计工况
Figure BDA0003303505920000111
合格。
根据复合应力评定标准压力容器设计手册及具体实施例一中公式(28)，要求设计工况值小于等于1，则在本实施例中，设计工况的值为0.116，因此判定采用一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法实现石化容器或大型钢结构件鞍式支座地脚螺栓受力计算具备可行性，能够实现石化容器及大型钢结构件的地脚螺栓精准计算。
具体实施方式三：
本领域内的技术人员通过上述实施例提及的方法，本实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，模块之间也可根据计算机逻辑结构进行重新组织。而且，本实施例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。
根据本实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图或方框图中的每一流程或方框、以及流程图或方框图中的流程或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或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或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法，是针对鞍式支座实现的螺栓应力计算，鞍式支座包括底座、腹板和筋板，底座上横向贯通有腹板，腹板与底座垂直布置，在腹板的两侧均布有多个筋板，在底座上加工有多个用于螺栓安装的通孔，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100、采用相似三角形原理得出第i个螺栓载荷下的变形量δi、中心到第i螺栓载荷的距离li、受压螺栓到中心孔距离a和受压螺栓轴向的变形量b的比值关系：
Figure FDA0003303505910000011
步骤S200、将中心到第i螺栓载荷的距离li、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系li＝Li-a代入到公式(1)中，并做相应变换得到：
Figure FDA0003303505910000012
又因，第i个螺栓受力为应力与面积的乘积：
Figure FDA0003303505910000013
式中，σi为第i螺栓的应力值，Ab为螺栓面积值，εi为第i个螺栓应变，E为螺栓材料的弹性模量，δi第i个螺栓载荷下的变形量，B为组件横向截面尺寸；
将公式(2)代入到公式(3)中，得出第i个螺栓受力Fi：
Figure FDA0003303505910000014
同理，单位长度的载荷q，可以写成压应力乘以与螺栓连接的底座长度D的乘积；
Figure FDA0003303505910000015
受压螺栓到中心孔距离长度a范围内的压缩区域长度受力的计算，可以通过力的平衡方程计算：
Figure FDA0003303505910000016
Figure FDA0003303505910000017
将公式(4)和公式(5)代入公式(7)得：
Figure FDA0003303505910000021
Figure FDA0003303505910000022
将公式(9)按安装螺栓的排数N，从1到N求和，得到安装的N排螺栓的一元二次方程式：
Figure FDA0003303505910000023
步骤S300、对公式(10)进行化简并解出关于受压螺栓到中心孔距离a的一元二次方程式得到受压螺栓到中心孔距离a的值：
Figure FDA0003303505910000024
步骤S400、根据力矩平衡方程求解螺栓最大载荷：
Figure FDA0003303505910000025
式中，M为螺栓所受的力矩；
化简公式(12)可得：
Figure FDA0003303505910000026
将公式(4)和公式(5)代入公式(13)得：
Figure FDA0003303505910000027
化简公式(14)得：
Figure FDA0003303505910000028
公式(4)可以写成：
Figure FDA0003303505910000029
将中心到第i螺栓载荷的距离li、两侧螺栓孔间距Li和受压螺栓到中心孔距离a存在的关系li＝Li-a代入公式(16)得：
Figure FDA0003303505910000031
将公式(15)代入到公式(17)中得：
Figure FDA0003303505910000032
步骤S500、由拉伸应力计算公式可知螺栓的应力值：
Figure FDA0003303505910000033
将公式(18)和li＝Li-a代入公式(19)，得到螺栓的应力值σ关系式为：
Figure FDA0003303505910000034
2.一种由附加力矩引起的螺栓应力计算设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法。
3.一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实现权利要求1所述的一种由附加力矩引起的螺栓应力计算方法。
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