螺栓疲劳强度计算分析报告

螺栓疲乏强度计算分析摘要：在应力理论、疲乏强度、螺栓设计计算的理论根底之上，以疲乏强度计算所实行缸的工作压力为0~1N/mm2=之间变化，气缸直径D2=400mm，螺栓材料为5.63514，F〞=1.5F，15℃这一具体实例进展计算分析。利用ProE的模型。先以理论学问进展计算、分析，然后在分析过程中借助于ANSYS计所实行的一般公式进展分类，进一步在此之上总结。关键词：螺栓疲乏强度，计算分析，强度理论，ANSYS有限元分析。BoltfatiguestrengthanalysisAbstract:Instressfatiguestrengththeory，bolt，designcalculationtheoryfoundationtofatiguestrengthcalculationforthethreemethodsadoptedaccordingtothecylinderlid，fastenboltconnectionastheobjectofresearch.Assumingthecylinderpressureofworkis0~1N/mm2changes，cylinderdiametersbetween==400mm，boltingmaterialsD2forms5.635steel，boltnumberfor14，inF“=1.5Fbelow℃，thetemperaturecalculationandanalysisofconcreteexamples.UsingProEestablishboltconnectionthree-dimensionalmodelsandscrew，nut，cylinderundercover，covermodel.Startswiththeoreticalknowledgecalculate，analysis，andthenduringanalysis，ANSYSfiniteelementanalysissoftwarebythispaperanalyzesforcesboltconnection，toverifytherationalityofthedesignofandreliability.Afternearlydecadesofdevelopment，thetheoryoffiniteelementmethodismoreperfect，moreextensiveapplication，hasbecomeanindispensabledesign，analysistheemollienttool.Theninitsanalysisandcalculationforboltconnection，basedonthetypeofconnectiontothefatiguestrengthdesignofthegeneralformulaclassification，furtherontopofthissummary.Keywords:boltfatiguestrength，calculationandanalysis，strengththeory，ANSYSfiniteelementsanalysis.目 录\l“_TOC_250022“1绪论 5\l“_TOC_250021“绪论 5\l“_TOC_250020“疲乏强度的概念及常见的疲乏损伤类型 5\l“_TOC_250019“影响疲乏强度的因素 6\l“_TOC_250018“前景展望 6\l“_TOC_250017“争论的目的意义 6\l“_TOC_250016“2相关背景学问 7\l“_TOC_250015“背景学问 7\l“_TOC_250014“强度理论及疲乏强度的计算主要有三种方法： 7\l“_TOC_250013“2.4螺栓连接的构造设计的原则 13\l“_TOC_250012“Pro/E三维造型 14\l“_TOC_250011“ProE简介 14\l“_TOC_250010“螺栓连接零件图 14\l“_TOC_250009“4实例分析 18\l“_TOC_250008“理论分析 18\l“_TOC_250007“计算各力的大小 18\l“_TOC_250006“理论分析总结 20\l“_TOC_250005“ANSYS有限元分析 21ANSYS有限元分析 21\l“_TOC_250004“分析软件及工作原理介绍 21ANSYS分析求解步骤 23\l“_TOC_250003“ANSYS分析 23\l“_TOC_250002“ANSYS分析总结 27\l“_TOC_250001“总 结 28[参考文献] 29\l“_TOC_250000“致 311及作此设计的前景、目的和意义。绪论本次毕业论文争论的主要问题是—在强度理论根底之上就螺栓的疲乏强度计算其中螺栓连接由于其经济性，便利性，牢靠性，最常用，用的最广，因而争论其在不下的强度计算机分析。在冶金，矿山，工程，运输等机械设备中，承受变载荷的螺栓连接广泛地应用着，因而争论螺栓连接疲乏强度计算分析是格外必要和有有用价值就螺栓的疲乏强度计算开放，以汽缸螺栓连接实例把理论分析和有限元分析相结合，然后就此得出螺栓连接疲乏计算分析的一般规律。疲乏强度的概念及常见的疲乏损伤类型变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力〔也称循环应力。在交变应力裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲乏疲乏强度是指金属材料在无限屡次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲乏强度或疲乏极限。疲乏破坏是机械零件失效的主要缘由之一。据统计，在机械零件失效约有80%好的材料来制造。影响疲乏强度的因素等特点，故疲乏破坏常不易被准时觉察且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小循环次数是影响金属疲乏的三个主要因素。前景展望伴随着计算机技术的进展和各种分析软件的成熟， ANSYS、ABAQUS、ALGOR以及ADINA等为代表的一系列分析软件的不断完善，运动仿真技术的进展使其理论分析有了更加坚实牢靠的手段和依据使得其更加接近真实状况各种仿真软件和分析系统的日趋完善使得对螺栓疲乏强度的分析计算更加科学，可信。争论的目的意义2本章主要讲解进展螺栓疲乏强度计算分析所需要的理论根底，包括强度理论及算公式选择的原则。背景学问强度理论及疲乏强度的计算主要有三种方法：γ=常数，则也有α=1-γ/1+γ=常数，即α2.1MOMM〔假设AB〕Mγ=COM，ABσσaAM”BMασ”Cσ图2.1γ=常数时的极限应力1´´ ´

a ma´ a m m

2-1M′M ´

´

´

1

a

)

mamaammkm maxamm

m a

2-2则依据最大应力求得的最大应力安全系数计算值及强度条件为n

ax

1

[n]

2-3σmin=C

a max kam假设man=C则有σmin=ma=C，故在图2中，过工作点M作与横坐标夹角为45°的直线MM′，则这条直线上任一点的应力最小值一样，即复合σmin=ma=C的加载条件。M′所代表的应力就是此状况下计算时应承受的疲劳极限应力。σ”σ”AM”BM45°OσCminσm图2-2σmin=CMM′，ABa ´a´a

2-41a´´ m代入minmaCM′的坐标〔σ′m，σ′a〕则依据最大应力求得的最大应力安全系数计算值及强度条件为ma´ ´´ mana maxmax

am

)(2a

≥[n]min)

2-5③按应力的循环特性保持不变〔即γ=C〕的应力变化规律计算即σm=C3中，过工作点M，作纵轴的平行线MM′，则此直线上任一点的应力，其平均应力一样，即符合σm=σ的加载条件。M′点所代表的应力就是此状况下计算时所实行的疲乏强度极限应力。σσaAM”BMOCσm图2-3σm=CMM′，AB

´mC

2-6m1´´ma mM′点的坐标〔σ′m，σ′a〕依据最大应力求得的最大应力安全系数及强度条件为ma´ ´´ man maxmax

am

)(2a

≥[n]min)

2-7γ=C的公式。螺栓连接承受单向稳定变载荷时的疲乏强度计算。F0~FF~F0~F但由于预紧力F的存在，螺栓所受的总拉伸载荷则是在F~F。之间变化的波动拉伸载荷，假设不考虑螺栓摩擦力矩的扭转作用，则螺栓受单向稳定的应变力。对于受单向稳定应变力的螺栓疲乏强度校核计算就可以完全依据上述变应力的规律如何，然后再确定。力螺栓中总拉力的变化螺栓中工作拉力的变化△FFFaF” 时间әө F”әkm 变形时间2-4螺栓设计计算受力选择原则熟的观点，这里我们着重争论一下几种。以按应力幅进展计算，即选用公式n[a]≥[na] 2-8a满足此条件极为安全。

min4F´/d2FC为常数则

min

为常数，所以螺栓的1疲乏强度依据 minC的状况进展计算，及选用下式校核。最大安全系数1

a ()(2a

min) 2-9第三种：Cγ=Cn 1 ≥[n]am 2-10满足此条件即为安全。1.1许用安全系数许用安全系数[n]装配状况公[n]o称直径M5-M16M16-M30螺栓材料紧连接〔不加预紧力〕碳素钢10-6.56.52.5-5合金钢7-55紧连接〔加预紧力〕碳素钢1.2-1.51.5-2.5合金钢螺栓连接的计算公式松螺栓连接的计算公式： F d214

2-114F[]4F[]

2-12dmm1N[σN/mm2紧螺栓连接的计算公式：

1.3F []caca14

2-13σca—————螺栓预紧状态下的计算应力，σca=1.3σFN.螺栓连接的构造设计的原则矩形、框形、三角形等这样不但利于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和连接结合面的形心重合，从而保证连接结合面的受力比较均匀。8个以上螺栓，以免载荷分布过于不均。和机体壁间的最小距离，应依据扳手所需活动的空间的大小打算。和画线。避开螺栓承受附加的弯曲载荷。3Pro/EProEProE1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开头参数化建模软件的争论。1988，V1.0Pro/ENGINEERPro/ENGINEERWildFire6.0〔6)。PTCMCAD螺栓连接零件图3.1螺母3.2螺杆图3.3 汽缸上端盖图3-4 下端盖图3-5 总装配图4本章就汽缸螺栓连接这一实例，依据螺栓连接的强度理论进展计算分析。理论分析气缸盖螺栓连接的设计，如以以下图，：汽缸工作压力p0~1N/mm2间变化。汽缸直径为D2=400mm，5.63514，F1.5F15℃。4.1计算各力的大小〔一〕计算每个螺栓承受的最大工作载荷汽缸最大载荷4Q4螺栓最大工作载荷

2

40024

1125664N

4-1FQz

1256648976 14

4-2F0~8976N剩余预紧力F1.5F1.5897613464N

4-3螺栓最大拉力FFF89761346422440N 4-4预紧力cFF c 1 F224400.8897615265N

4-51c2许用拉应力按把握预紧力取安全系数，查《机械零件手册》知a300N/mm2，且[[n]

3001.5

200N/mm2。[]a[n]螺栓疲乏强度校核1〕计算各参数a

3001.5

200N/mm2

4-6A

3.14

(15.294)2183.7mm2

4-71

4 1

22440

maxF

/A1

183.7

122.16N/mm2

4-811

minF/

15259183.7

83.06N/mm2

4-9maxmin122.1683.0619.55N/mFS2a 2 2

4-10e螺栓平均应力 maxmin122.1683.06102.16N/min2m 2 2

4-11f查《机械零件手册》可知平均应力的折算系数为对称循环弯曲疲乏极限又查手册知3.45，0.87 ， 0.9则综合影响系数疲乏强度校核计算

3.45 4.4 4.4

4-12下面分别用三种方法对该零件进展螺栓疲乏强度校核2-8

210

1.63[n

]1.5a 19.55 19.551.54.4 a满足强度条件，安全。其次种方法：依据其次种观点，按 minC规律计算，代入公式 2-9，有

22104.4

1.39[n]满足强度条件，安全。第三种方法：依据第三种观点，那 C规律计算，代入公式2-7，有n

1

210

2.07[n]1.2am 4.419.550.15102.61由计算可知设计满足各项要合理的。4.2三种计算结果分析归纳总结见下表计算方法比较容按σ律校核最大应力安全系数按应力幅规安全系数按γ=C力安全系数n1.391.632.07准确度准确近似n者不准确，n全

4-15ANSYS分析软件及工作原理介绍2050的物理特性，然后组合在一起就能近似的等效整体构造的物理特性然。有限元分析〔FiniteElementAnalysis，FEA〕是在构造分析领域中应用和进展起来的，它析、流体分析等方面扮演越来越重要的角色ANSYS数CADPro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I－DEAS，AutoCADCAD一、软件功能简介软件主要包括三个局部：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块计算模块包括构造分析〔可进展线性分析、非线性分析和高度非线性分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透亮及半透亮显示〔可看到构造部〕等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件供给了100PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAYANSYS5.7要求的操作系统为Windows95/98或WindowsNTUNIX1024×768，2M350M，17〔主菜单〕PREP〔通用前处理模块SOLUTIO〔求解模块POST1〔通用后处理模块，POST26〔时间历程后处理模块。ANSYS都可以联机查阅。指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在 .LOG文件中列出，翻开输出窗口可以看到.LOG.LOG.LOG文件的容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进展同样工作时，由ANSYS自动读入并执行，这是ANSYS提高工作速度。1〕实体建模；2〕网格划分；3〕施加载荷：4〕分析求解ANSYS5.1【ANSYS(GUI)(1)ANSYS〔设定工作名目和工作文件〕程序→ANSYS→ANSYSInteractive→Workingdirectory〔设置工作名目〕Initialjobname〔设置工作文件名：PressRun(2)设置分析特性ANSYSMainMenu：Preferences…→Structural→OK(3)定义单元类型ANSYSMainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete...→Add…→Solid:Tet 10node187〔10〕→OK〔返ElementTypes〕→Close…(4)定义材料参数ANSYSMainMenu：Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→StructuralLinearElasticIsotropicE2.06e1〔弹性模量0.3〔泊松比〕→OK→鼠标点击该窗口右上角的“×”来关闭该窗口PROEANSYSMainMenu：Preprocessor→Meshing→MeshTool→位周纵向的线→OK→ElementSizeonPicked…No.ofelementdivisions5→OK→Mesh→Volumes→Mesh→Pickall5-2)5-2模型施加位移约束ANSYSMainMenu:Solution→Loads→Apply→Stuctural-Displacement→onLines→拾取底座底面的全部外边界限→OK→ALLDOFOKNSYSMainMenu:Solution→Loads→Apply→Stuctural-Displacement→onLinesUY→OK模型施加载荷和约束..在底座上外表施加工作载荷ANSYSMainMenu：Solution→Loads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→拾取底座上外表→OK→VALUE：-125664→OK用箭头显示压力值ANSYSUtilityMenu：PlotCtrls→Symbols〔ShowPresandconvectas〕→OKSAVE-DB保存数据库分析计算ANSYSMainMenu：Solution→Solve→CurrentLS→OK结果显示GeneralPostproc→PlotResults→Deformedshape…→Defshapeonly→OK〔返回到PlotResults〕→ContourPlot→NodalSolu→Stress→vonMisesstress→OK〔还可以连续观看其他结果〕退出系统ANSYSUtilityMenu：File→Exit…→SaveEverything→OK计算结果验证按以上计算方案，可得到最大VonMiss等效应力和最大的Y方向应力分别为：34.6MPa、12.8MPa，Y5-3、5-4(a) VonMises等效应力(Pa) (2)Y方向(垂直方向)的应力(Pa)5-3：VonMiss〔Pa〕〔垂直方向〕的应力〔Pa〕螺栓疲乏强度计算结果-Y8976N/〔3.14×(14/2〕2〕=58.3MPa>12.8MPaANSYSANSYS理的。有限元分析在设计的过程中发挥着格外重要的作用应当引起大家的重视。总 结但是由于其方法比较简洁故在一般的机械设备中常常用到。材料发生弹性变形，而弹性有限分析的速度是很快的，所以可以使用。ANSYS计领域必定得到更加广泛的应用。[参考文献]鸿文.材料力学。42023。濮良贵82023.王步瀛.机械零件强度计算的理论和方法1986卜炎.螺纹连接设计与计算1993[]联先CB。机械零件的承载力气和强度计算。汪一麟，等译1984莉莉德豫.《螺栓疲乏强度的计算再分析选自矿业学院学报 1993.4月59~656~58周开勤 机械零件手册.第四版.1994(美)希格利.米切尔著.机械工程设计，金永昕，余长庚，汝元功等译.第四版1988〔德〕尼