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    设计 l 考虑非线性和偏差的螺纹紧固系统的工程计算连载之(一)

    设计 l 考虑非线性和偏差的螺纹紧固系统的工程计算连载之(一)

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    概述


    轻量化的产品设计,再加上技术产品对性能和功率的要求,使得每一个加载的机械零件的应力都大大增加。对于螺栓连接来说这尤其适用,因为它们是高负荷机械元件。

    如今,螺纹紧固件的尺寸大多采用基于线性机械性能的标准指南,如指南VDI2230。在产品生命周期中,经常发生非线性变化偏差。如果为了满足市场需求而开发出性能、经济、生态、质量最优的产品,就必须考虑到这一点(非线性和偏差)。

    这一影响显示了螺栓连接在使用寿命中的重要方面。一个关键参数是所谓的“预紧力历程”。通过这种方法,可以直接发现可能的主要风险。

     

    在后面的介绍中,通过CFRP示例来说明轻量化设计避免发生故障的方法、工具和行动。为今后生产具有螺栓联接的产品优化提供了一种有效、经济的设计方法和工具。

    轻质材料连接更加容易造成“预紧力衰减”和“自松”,这就会造成可能失效的风险。失效机制在参考文献[6,7]中有详细介绍。指南VDI2230和相关参考文献,如[5,8,9]主要是不考虑随时间变化的轴向载荷变形行为。

    图1显示,在产品开发的第一步中,大多数行为也是诱导后续一系列步骤的因素。这意味着对于紧固系统,紧固设计对所有层级都起着重要作用。

     

    图1  紧固件系统的四个层级

     

     

     

    产品全寿命周期中螺栓连接


    螺栓连接分析方法已建立多年,它们必须在产品的整个生命周期内可靠地工作(图1)。这个生命周期可以用四个时间步骤来描述(产品开发、生产和装配、运行、寿命终止)。每个时间步骤有四个级别的标准:性能、质量、经济水平环保。

    总的来说,这种层级结构对于当今市场上产品成功很重要。图1还强调了每个步骤对紧固系统的影响。在轻量化设计中,由于材料利用率高,强度低,需要满足特殊的设计要求。

    流程图还表明,步骤1和步骤2(产品开发和生产装配)由产品制造商驱动,而步骤3和步骤4(运行和寿命结束)由客户驱动。对于螺栓连接,这意味着开发商和制造商对运行期间的可靠性负有重大责任。

    因此,需要一个持续的评估关键参数,这个关键参数就是所谓的“预紧力历程”(预加载随时间变化的行为)。

     

     

     

    预紧力历程

     

    图2是通过观察寿命期内的预紧力演变而得到的。它显示了最大预紧力FPmax=f(时间)和最小预紧力Fpmin=f(时间)的函数。在该图中,对应图1的步骤2和3(装配和运行)。

     

    装配过程的典型时间段在1秒(小螺钉)到几分钟(大螺钉)之间;运行时间段取决于使用时间,通常在1000小时(如车辆)到100000小时(如工业机械)之间。因此,时间轴应按比例对数缩放。水平虚线/实线表示最小和最大限制的边框线。
     

    在大多数情况下,接近最小极限是特别危险的,因为初始拧紧预紧力Fp0min和Fp0max随着使用时间而显著变化(预紧力嵌入损失FZ,旋转松动损失△Fprelax,可能的维护延迟,接头设计不足,见图2)。

    应考虑四种风险(参见图2):
    1. 预紧力偏差过大(对于螺栓连接而言,这一数值非常大,这样就有可能造成太低的初始最小预紧力FP0min)
    2. 工作时候预紧力过低Fp0min–FZ–∮FPrelax
    3.  热胀冷缩或机械过载引起的预紧力损失
    4.  接触区接触压力过高,尤其是对于低强度被连接件材料。

     

    有一些方法可以减少连接件的过大尺寸(这是当前轻量化设计中经?;嶙龅模?,但是,这些情况需要考虑预紧力历程中的非线性行为(考虑偏差的过弹性拧紧、随时间的预加载变化、松弛、自松等)。同时,还需要考虑来自具有极高可靠性的零故障目标的期望。
     

    图2  螺栓全寿命周期内评估螺栓接头预紧力历程的关键参数

     

     

     

    译者点评:

     

    大家对于VDI2230都是比较熟悉的,该指南中主要考虑了螺栓拧紧时候的嵌入损失和热胀冷缩造成预紧力的变化,相对来说还没有考虑到螺栓连接的全寿命周期的预紧力变化。
     

    如螺栓连接装配以后,预紧力会产生如何的变化,材料在高温情况下,受力比较大的情况下预紧力可能的变化情况。所以,完全按照VDI2230的步骤还不能完全正确的考虑整个寿命周期内预紧力的变化情况。

     

    本文就对整个寿命周期的预紧力变化进行分析,甚至考虑到维修的间隔,维修时候对紧固件重新拧紧后预紧力的变化。

    本文从图2也可以看出,在整个寿命周期内预紧力完全按照两个界限进行分析,包括最大预紧力,最小预紧力,整个寿命周期的内变化。我们都知道对于考虑偏差的情况,在VDI2230中主要有螺纹啮合长度的计算部分,会考虑螺纹的最大公差,螺纹的最小公差,计算出满足要求的最小啮合长度。

     

    其他计算部分基本都是按照尺寸的公称值,或者材料的最小极限值来进行计算的。例如拧紧扭矩的计算,计算公式如下:

     


    这个公式大家都非常熟悉,从这个公式来看,计算就没有考虑的尺寸的公差,特别是螺纹的中径d2就没有考虑最大公差和最小公差,当然螺栓法兰支撑面直径和螺栓孔直径也都是按照公称值或最大、最小值来进行的计算。
     

    这个对计算结果还是有一些些微的影响。我们也进行了计算比较,难怪计算结果与软件中的拧紧扭矩计算结果每次都会相差一定的扭矩。

    另外,VDI2230指南中对于拧紧系数αA是按照指南中推荐的数值进行输入计算,这个数值输入的大小会较大地影响后续的计算结果,如果能够从最大预紧力和最小预紧力来直接计算出这个值,对大家更好的理解这个值,也不会纠结太多,这个值的选用就不会存在太大的问题,直接根据拧紧扭矩要求得出拧紧系数。实际上这个值的选用也是大家比较纠结或者经常提出的问题。

    这些问题都是本文讨论的内容,该论文摘自ASME学会的的文章(2012 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition November 2012, Houston, Texas, USA),这种考虑公差和非线性的问题在螺栓计算过程中能够保证计算更加安全可靠,同时,有些经验参数可以通过直接计算得出,减少了一些人为的判断失误。

    Screw Designer Professional螺栓计算软件是德国AFS研发的一款集数据库、非线性、偏差等功能为一体的综合性螺栓计算软件,能够计算诸如车轮螺栓(球面、锥面)的拧紧扭矩,不同拧紧方式(扭矩法、转角法、伸长量法、屈服点法等)条件下拧紧扭矩和预紧力的范围。

     

     

    同时能够计算出全寿命周期内的预紧力变化,给出非常直观的最大、最小偏差下的各种安全系数值,能够使没有太多计算经验的紧固件工程师和产品工程师都会比较容易的看懂报告,存在哪些薄弱地方等。

     

    通过该软件能够使你的螺栓连接计算标准化,规范化,并考虑相关非线性,偏差等综合因素,确保螺栓接头设计的准确、可靠和安全。

     

     

    敬请期待文章的后续连载部分……
     

     

    关于兹懋 (原兹韦克中国的紧固技术业务单元)

          作为德国领先紧固技术在中国的代言人,旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备,以及紧固连接全寿命周期的解决方案,并定期举办专业的紧固培训研讨会,深受业内好评。

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