5起重运输 机械简 化成 轴 对 称问 题。由 公式 tanU= p / ( Pd2 ), (其中 p 为螺栓螺距, d2 为螺栓中径 ) 计 算出螺栓升角 U= 211b ( 小于 4b) , 而且螺栓在实 际工作中所承受的载荷为轴向拉 伸载荷, 呈对 称 分布, 因此可 以用 轴对称 模型 进行有 限元 分析。 计算时只需取对称面一侧作为研究对象。 311 螺栓联接有限元模型的建立
图 4 螺栓结构受载图
313 螺栓材料参数 本文所 用螺 栓的 材料 为 35 钢, 弹 性模 量 为
211M P a, 泊松比 为 0129, 抗 拉强度为 535 MP a,
5起重运输机械 6 2008 ( 9)
屈服强度为 315 MP a。采用普通三角螺栓。螺栓长 度为 108 mm, 公 称直 径 为 42 mm, 螺 距 为 415 mm, 螺栓中径为 391077 mm, 与螺母的旋合长度 为 4015 mm。 314 计算结果与分析
(N )
剩余预紧力 的选取很 重要, 对 于紧密连 接的
压力容器应保证密封面的剩余预紧力大于压力容
器的工作压力, 因此剩余预紧力 F d= ( 115~ 118) F, 本文取 F d= 115F = 115 @ 23 500= 35 250 N, 螺 栓的最 大拉 力 Fm = F + F d= 23 500 + 35 250 = 58 750 N。
d2 ) ) ) 螺栓中径 d1 ) ) ) 螺栓小径 ) 68 )
p ) ) ) 螺距 H ) ) ) 原始三角形高度
图 2 普通螺栓截面尺寸图
螺栓受力分析如下:
气缸盖最大压力
FQ =
PD
2
P
=
4
P7502 4
@ 0185=
375 500
( N)
螺栓工作载荷
F
=
FQ z
=
37516500 =
23 500
参考文献 1 陈 骥 1 钢 结 构 稳 定 理 论 与 设 计 1 北 京: 科 学 出 版
社, 2006 2 陈铁云, 陈伯真 1 弹性薄壳理论 1 武汉: 华中工学院出
版社, 1983 3 王金诺, 于兰峰 1 起重运输机金属结构 1 北京: 中国铁
道出版社, 2002 4 吴连元 1 板壳结构弹塑性稳定性的有限元分析 1 应用力
4 结论
( 1) 螺栓连接接触力主要集中在从传力算起 第 1圈旋合螺栓处, 这与螺栓杆发生断裂 的位置 基本一致, 并且接触力是依次减小的。
( 2) 螺栓连接轴向最大应力亦发 生在第 1 圈 处的螺栓零件上, 有限元计算所得最大应 力与理 论计算相差约 8% , 这是由于有限元计算时使用紧 固约束, 致使计算值偏于保守的缘故。
法研究 1 柴油机, 2007 ( 5): 23) 27
作 者: 佟占胜 地 址: 陕西西安未央区东元路 209号机械传 动所 邮 编: 710054 收稿日期: 2008- 05- 23
) 69 )
从螺栓连接应力图 ( 图略 ) 可以看出最大应 力为 60196 M Pa, 发 生在螺 栓旋合 第 1 圈螺 栓杆 处, 这是符合实际情况的。从螺栓连接接 触力分 布图 ( 图略 ) 可以看出在螺栓旋合第 1圈处接触 力最大。从螺栓连接位移放大图 ( 图略 ) 可以看 出在螺栓旋合第 1圈处接 触紧密, 由于螺 栓连接 被拧紧的原因, 使得第 1圈螺栓连接处分离较大, 以后分离缝隙渐渐减小。
2 螺栓连接的受力分析和强度计算
螺栓连接紧固件 种类很多, 其中普通螺栓 连 接牙型角 A= 60b, 自锁性能好, 螺纹抗剪强度高, 结构紧凑、拆 装方便, 因此得 到广泛 应用。图 2 为普通螺栓截面示意图, 图中
d1 = d - 2 @ 58H d2 = d - 2 @ 38H
H = 23p 式中 d) ) ) 螺栓大径
图 6 有加强肋的支腿梁特征值分析一阶屈曲模态
412 非线性屈曲分析 从非线性分析各 阶屈曲模态可 以得出, 在 一
定载荷作用下, 有加强肋 的支腿梁失稳仍表现 为 局部失稳。随 着载荷增加, 局部 失稳将变成整 体 失稳。失稳极限载荷约为 4 850 kN, 比特征值屈曲 分析极限载荷下降约 1216% 。
中国铁道出版社, 1994 9 曹红松, 欧学柄 1 薄壁箱形结构的力学特性 1 太原机械
学院学报, 1994
作 者: 冯 湘 地 址: 郑州 市幸福路 2 号郑州铁 路职业技术 学院机电
工程系 邮 编: 450052 收稿日期: 2007- 12- 18
气缸的螺栓连接有限元应力分析
安阳工学院 王立新 韩玉坤 中国重型机械研究所 佟占胜
学学报, 1994 ( 9) 5 沈怀荣, 刘守成 1 起重机加肋圆柱壳稳定性的研究 1 起
重运输机械, 1983 ( 10) 6 B1T 利 津 著 1 薄 壁 结 构 设 计 1 北 京: 国 防 工 业 出 版
社, 1983 7 荣国瑞 1 箱形薄壁结构的局部稳定性分析方法 1 河北建
筑工程学院学报, 1999 ( 3) 8 任伟新, 曾庆元 1 钢 压杆稳 定极限承 载力分 析 1 北 京:
( 3) 验证了有限元计算方法适用于气缸螺栓 连接的计算, 对于更加复杂的 螺栓连接问题, 也 可用此方法解决。
参考文献 1 邱宜怀, 郭可谦, 吴宗泽等 1 机械设计 1 北京: 高等教
育出版社, 1997 2 徐灏 1 机械设计手册 1 北京: 机械工业出版社, 2003 3 石秀勇, 李国祥, 胡玉平 1 发动机飞轮螺栓的三维有限
选定螺栓 M 42, 直径 d = 42 mm, p = 415 mm,
H = 01866p = 31897 mm, d2 = 391077 mm, d1 = 371192 mm, 可根据螺栓拉断面状况, 归纳出计算
直径 dc 的经验公式
dc
=
d1
-
H 6
螺栓危险截面面积
Ac =
P 4
d1
-
H 6
2
摘 要: 针对气缸螺栓连接 选择不当造成应力 集中、材 料浪费、制 造工艺 复杂等 问题, 利用 有限元 方法进 行分析, 得到丰富数据, 能够满足设计要 求, 并 对结果 通过理论 计算加 以论证。 此方法 也可用于 受力形 式和约 束条件更加复杂的螺栓 连接的设计。
关键词: 螺栓连接; 气缸; 应力分析; 接触 Abstrac t: Improper pneum a tic cylinder bo lt connec tion w ill lead to stress concentra tion, m ater ia lw aste, com plicated m anufacturing. R e lated fin ite elem ent ana ly sis is conducted, and enough data is obta ined for the design and is ve rified by theoretical ca lculation. T he m ethod prov ided in this paper can a lso be used in design of cy linder bolt connection w ith m ore sophisticated force and constraints. K eywords: bo lt connec tion; pneum atic cy linde r; stress analysis; contact
该轮胎起重机的各复合工况 下最大的压力 载 荷约为 76711 kN, 远小于非线性分析下的失稳 载 荷, 因此在该作用力下支腿梁远不至于失稳。
5 结论
( 1) 通过分析计算得出无加强肋和有加强 肋 的变截面箱形支腿梁的失稳极限载荷及失稳形式;
( 2) 该变截面梁在不断增加的压力作用下 将 由局部屈曲发展到整体屈曲。
图 1a为气缸的真实模型, 图 1b为气缸几何模 型, 图中螺栓连接的形式 为 16个 螺栓均布 ( z = 16) , 连接气缸的法兰盘与缸体, 以保证液压力作 用时法兰盘上螺栓受力均匀。气缸的工作压力 p = 0185 MP a, 气缸内径 D = 750 mm。
图 1 大型气缸模型图 ( a) 真实模型 ( b) 几何模型
= 1 045 mm 2
R= Fm = 56122 M Pa Ac
静载荷下 螺栓的许用拉应力
[ R] =
Rs [ n]
,
安
全系数 [ n ] = 3。已知螺栓使用材料为 35钢, 屈 服强度 Rs = 315 M Pa。所以 R < [ R] , 静强度设计 合理。
3 螺栓连接有限元分析
螺栓连接的 三维有限 元分析表 明, 螺栓 升角 小于 4b时, 载荷沿螺栓齿的分布几乎不受螺栓升 角的影响, 在轴向载荷的作用 下, 螺栓三 维有限
元计算分析 1 中国机械工程, 2006 ( 4): 845) 848 4 宋晋宇 1 柴油机连杆螺栓预紧力的数值分析 1 柴油机设
计与制造, 2006 ( 2): 27) 31 5 杜洪奎, 袁昌明 1 螺栓疲劳寿命预测 1 机械 设计, 2008
( 2): 10) 12 6 李全, 熊平, 陈志忠等 1 柴油机高强度螺栓仿真分析方
1 气缸三维模型的建立
气缸是利用压缩空气驱动输 出轴在一定范 围 内作往复运动的气动执行元件, 可执行物体翻转、 移动、夹紧和 阀门的开关等动作。随着某些特 殊 工作环境越来越复杂, 许 多恶劣的工况需要利 用 气缸等实现无人操作。因 此针对气缸的研究越 来 越受到重视。图 1为某型号的大型气缸模型。
由于螺栓的结构和受力均可视为轴对称问题, 如图 4 所示, 因此只 需在螺栓头部 ( 位置 A 处 ) 加轴向约束, 固定其 X 方向的移动。在对称轴 上 施加径向约束, 固定 其 Y 方向的移动。在螺栓 头 部 (位置 C 处 ) 施加轴向载 荷。此外, 由于螺 栓 和螺母相互接触, 不能把 它们作为一个物体进 行 有限元分析, 将螺栓螺母 分别作为研究对象按 非 线性的接触分析处理 ( 位置 B 处 )。接触问题属于 状态非线性问题, 接触面的分与合随材料、荷载、 边界条件而变化。