《力学教材》-《力学教材》-17 船用连接件承载能力分析

问题与思考船舶工程是一个系统的工程，一艘整船是由许许多多的构件有关联的整合在一起的。随着现代造船技术的发展，焊接船体取代了早期的铆接方式。在组成船舶形形色色的结构中，其他链接的方式也是多种多样的，如机械结构的螺栓连接、销连接，管系的法兰连接、螺纹连接，锚链系统的链环、卸扣连接，回转结构中的键连接等等。在所有的连接件中，剪切和挤压失效都是避免不了的。而且这种失效对船舶系统破坏力也是极大的，甚至还会引起灾难性的事故。所以，对于连接件的剪切和挤压失效的分析是十分必要的。1连接件失效分析1.1连接件特点

工程中的构件都是以某种方式连接起来才发挥相应作用的。螺栓、销钉和铆钉等是工程上常用的连接件。

在构件连接处起连接作用的部件，称为连接件。

螺栓连接特点：可传递一般力，可拆卸。

键连接特点：传递扭矩。

铆钉连接特点：可传递一般力，不可拆卸。

作用：连接构件传递力或力矩的。1连接件失效分析

剪切破坏

在连接件中的受力特点符合剪切变形的受力特点，所以可以得出连接件首先会发生剪切破坏；

挤压破坏

由于连接件是起着连接构件和传递载荷的作用，系统中会存在传递载荷的接触面上（如螺栓、铆钉以及键与被连接构件的接触面），如果相互接触的构件因表面强度的差异，会使表面强度较弱的一方在表面上产生挤压破坏。1.2连接件破坏形式键受力情况1连接件失效分析1.2剪切假定计算(a)(b)(c)

当作为连接件的铆钉、销钉、键等零件在在工作时承受一对大小相等、方向相反、作用线相互平行且相距很近的力作用，如图（a)所示，其主要失效形式之一是沿两力之间的截面发生剪切破坏，如图（c）所示，该截面称为剪切面。这时在剪切面上既有弯矩又有剪力，但弯矩较小，故主要是剪力引起的剪切破坏。1连接件失效分析

剪切面上的剪应力分布是比较复杂的，一般假定剪应力在截面上均匀分布，有式中：A为剪切面的面积；Q为剪切面上的剪力。

剪切强度设计准则:

式中：[τ]为连接件材料的许用剪应力。

剪切假定计算中的许用切应力[τ]与拉伸许用应力有关，对于钢材：

需要注意，在计算要正确确定有几个剪切面，以及每个剪切面上的剪力。如图所示的铆钉有两个剪切面的情形。1连接件失效分析1.2挤压假定计算挤压破坏在传力的接触面上，由于构件表面硬度不足而引起构件表面被压陷或起褶皱，这种接触的局部区域产生过量的塑性变形而导致失效，称为挤压破坏。

挤压力构件表面传递的力，用Pjy表示。

挤压应力接触面产生的接触应力，用σjy表示。

挤压面接触面在传递力方向上的的正投影面，用Ajy表示。挤压强度设计准则为：（2）曲面接触时，挤压面面积为接触面在传递力方向上的的正投影面的面积。挤压面面积的计算：（1）平面接触时挤压面面积为实际接触面面积；2船用连接件强度分析2.1法兰连接螺栓的计算

如图所示，对于传递拉力及扭矩作用的法兰，连接螺栓主要受拉伸破坏、剪切破坏和挤压破坏。首先计算单个螺栓受力。单个螺栓所受的轴向拉力为:单个螺栓所受的横向压力为:螺栓拉伸强度:螺栓剪切强度:螺栓挤压强度:（上各式中，d为螺栓直径、δ为螺栓工作部分长度、[τ]为螺栓材料的许用剪应力、[σ]为螺栓材料的许用挤压应力。）2船用连接件强度分析2.2锚链卸扣销的计算

如图所示，锚链卸扣销受力作用，主要发生弯曲、剪切和挤压破坏，但是弯曲变形的影响远小于剪切和挤压可以忽略。所以，对其仅做剪切和挤压强度计算。挤压强度:剪切强度:2船用连接件强度分析2.3焊缝假定计算

对于主要承受剪切的焊缝，假定沿焊缝最小断面（即剪切面）发生破坏。焊缝剪切面，如图2-98所示。此外，还假定剪应力在剪切面上均匀分布。焊缝的剪切强度设计准则为:

式中，Q为作用在单条焊缝最小断面上的剪力；δ为图中所示钢板厚度；l为焊缝长度。能力拓展【实例分析1】接触面为曲面的剪切面和挤压面----以铰制孔螺栓连接为例PPPPdt剪切面面积剪切面PPP挤压面挤压面面积Ajy=dt能力拓展M平键【实例分析2】接触面为平面的剪切面和挤压面----以平键连接为例（平键参数：宽×高×长=b×h×l）剪切面面积

Aτ=

b×l挤压面面积Ajy=0.5h×l

剪切面挤压面能力拓展【实例分析3】如图所示的钢板铆接件中，已知钢板的拉伸许用应力[σ]=98Mpa,挤压许用应力[σjy]=196Mpa，钢板厚度δ=10mm，宽度b=100mm，铆钉直径d=17mm铆钉许用剪应力[τ]=137Mpa，挤压许用应力[σjy]=314MPa。若连接件承受的荷载P=23.5kN。试校核钢板与铆钉的强度。解对于钢板的需校核拉伸强度和挤压强度，对于铆钉需校核挤压和剪切强度。（1）对于钢板