Tecnologia / Guida tecnica
Carico ciclico dei bulloni e fatica delle flange
Un bullone precaricato non subisce necessariamente l'intera variazione di una forza esterna di separazione. Un giunto chiuso ripartisce tale incremento tra l'allungamento del bullone e la riduzione della forza di serraggio.
La componente alternata della forza nel bullone non è il suo precarico.
Un semplice modello elastico rende esplicita questa distinzione. Mostra inoltre perché modificare la forza media è diverso dal modificare l'ampiezza della tensione ciclica.
01 / Contatto chiuso
Inizia con un confine meccanico definito.
Considera un collegamento assiale concentrico ipotetico con una molla equivalente del bullone di rigidezza kb e una molla degli elementi serrati di rigidezza kc.
Considera un collegamento assiale concentrico ipotetico con una molla equivalente del bullone di rigidezza kb e una molla degli elementi serrati di rigidezza kc. La forza iniziale di trazione del bullone F0 è bilanciata dalla compressione di serraggio. Il carico esterno di separazione P viene applicato tra le estremità degli elementi.
La relazione seguente presuppone rigidezze elastiche lineari e il mantenimento del contatto in compressione. Esclude la flessione locale della flangia, gli effetti dell'introduzione del carico e le variazioni dell'area di contatto. Il modello statico della rigidezza del giunto stabilisce questo incremento; qui la domanda è cosa accade quando P varia ciclicamente.
02 / Ripartizione del carico
Solo una parte dell'incremento si traduce in aumento della tensione del bullone.
Let C = kb/(kb +kc).
Sia C = kb/(kb +kc). La forza nel bullone è Fb = F0 +CP, mentre la forza di serraggio residua è Fc = F0 −(1 −C)P. La forza esterna di separazione aumenta la trazione nel bullone e contemporaneamente riduce la compressione; non viene semplicemente applicata per intero al bullone.
Entrambe le grandezze soddisfano Fb −Fc = P. Questa verifica dell'equilibrio è utile perché un errore di segno può produrre due espressioni apparentemente ragionevoli che non risultano in equilibrio. C è una frazione adimensionale di rigidezza per le condizioni al contorno dichiarate, non una resistenza a fatica del materiale né un coefficiente universale per le flange.
03 / Esempio di ciclo
Distinguere tra intervallo, ampiezza e media.
Scegli i valori ipotetici C = 0.2, F0 = 600 N e un ciclo di carico di separazione compreso tra 40 e 140 N.
Scegliere i valori ipotetici C = 0.2, F0 = 600 N e un ciclo di carico di separazione tra 40 e 140 N. La forza nel bullone varia da 608 a 628 N. La sua escursione è 20 N, l'ampiezza 10 N e la media 618 N. L'escursione della forza esterna è 100 N.
Al valore massimo di P, la forza di serraggio residua del modello è 600 −0.8×140 = 488 N, quindi questo esempio rimane entro l'ipotesi di contatto chiuso. Nessuno di questi carichi costituisce un precarico del prodotto, un valore di serraggio, un limite di carico o un obiettivo di regolazione sul campo.
04 / Posizione della sollecitazione
L'ampiezza nominale non è la tensione meccanica al fondo del filetto.
Per un'area di riferimento a trazione definita At, l'ampiezza nominale della tensione assiale è σa = Fba/At.
Per un'area di riferimento a trazione definita At, l'ampiezza nominale della tensione assiale è σa = Fba/At. Nel ciclo ipotetico, utilizzando un'area illustrativa di 10 mm² si ottiene 1 MPa. La corrispondente tensione media nominale è 61.8 MPa, calcolata con la stessa area.
Una tensione locale al fondo del filetto può differire a causa della geometria e del trasferimento locale del carico. Le descrizioni delle tensioni nominali e locali non devono essere combinate con dati di fatica riferiti a un'altra posizione. Una concentrazione delle tensioni Descrive un effetto geometrico locale; non fornisce di per sé una curva di fatica.
05 / Effetto di precarico
Una media più alta non implica automaticamente un'ampiezza inferiore.
Nello stesso modello lineare con giunto chiuso e con C costante, variare F0 sposta il valore medio della forza nel bullone, ma ne lascia invariata l'ampiezza, pari a C volte l'ampiezza del carico esterno.
Nello stesso modello lineare, con il giunto chiuso e C costante, modificare F0 sposta il valore medio della forza nel bullone, ma lascia invariata l'ampiezza della forza nel bullone, pari a C volte l'ampiezza del carico esterno. Questo risultato matematico distingue il precarico dall'incremento alternato.
Le modifiche che alterano la chiusura dei contatti o la rigidezza possono cambiare tale conclusione. Richiedono un modello fisico diverso anziché l'uso della stessa formula al di fuori delle sue condizioni di validità. L'affermazione spiega quindi un confronto idealizzato e non costituisce un consiglio per aumentare o diminuire il precarico reale dei bulloni.
06 / Limiti della valutazione a fatica
Il contatto e il comportamento dei materiali sollevano ulteriori questioni.
Se viene meno la compressione, la legge incrementale a contatto chiuso non descrive più il collegamento per tutto il ciclo.
Se viene meno la compressione, la legge incrementale a contatto chiuso non descrive più il collegamento per tutto il ciclo. Anche la flessione, l'effetto leva e la distribuzione non uniforme del carico nel gruppo di bulloni possono modificare quale bullone riceve una forza variabile. Una forza media di serraggio positiva non dimostra la presenza di contatto locale ovunque.
Anche un ciclo di sollecitazione calcolato correttamente richiede una descrizione adeguata della fatica, comprese eventuali trattamento della tensione media. La geometria effettiva della flangia, il materiale dei bulloni, la sollecitazione locale e la storia dei carichi non sono forniti in questo esempio. Non viene attribuita alcuna durata di vita né resistenza a fatica a un collegamento MARSTON.
Guide tecniche correlate: Correzione della tensione media nella fatica delle turbine eoliche · Meccanica di distacco e taglio nei giunti adesivi · Criteri di cedimento delle pale composite: spiegazione.
Informazioni generali: NASA Reference Publication 1228 — Manuale di progettazione degli elementi di fissaggio, trattazione del carico ciclico. Questi riferimenti spiegano concetti del settore; sono distinti dai documenti MARSTON di prodotto e di progetto applicabili.
Concetti e condizioni fondamentali.
Leggere ogni grandezza insieme al riferimento, alle unità e alle condizioni dichiarate. Una relazione generale non stabilisce un valore specifico di un modello.
| Concetto / grandezza | Significato / relazione | Condizioni / limiti |
|---|---|---|
| Frazione di rigidità | C = kb/(kb +kc) | Confine elastico chiuso definito. |
| Incremento della forza nel bullone | CP | Solo una parte del carico di separazione. |
| Riduzione della forza di serraggio | (1 −C)P | Il contatto deve rimanere in compressione. |
| Ampiezza della forza | (Fb,max −Fb,min)/2 | Non la forza di trazione iniziale del bullone |
| Ampiezza della tensione meccanica nominale | Fba/At | L'area e il punto in cui si valuta la tensione meccanica devono corrispondere |
Domande ingegneristiche.
Il bullone riceve l'intera variazione della forza esterna?
Non nel modello elastico indicato, con il giunto chiuso. Il suo incremento di forza è CP.
L'ampiezza della tensione meccanica coincide con la tensione di precarico?
No. L'ampiezza è metà dell'escursione del ciclo; il precarico contribuisce al livello e al valore medio della forza.
Un maggiore precarico riduce sempre la tensione alternata?
No. Con una frazione di rigidezza costante e il contatto chiuso, modifica il valore medio senza modificare l'ampiezza.
La relazione per il giunto chiuso può essere utilizzata dopo la separazione?
No. Il confine fisico è cambiato e richiede una descrizione diversa.
La tensione nominale di trazione è uguale alla tensione al fondo del filetto?
Non necessariamente. La geometria locale e il trasferimento di carichi possono creare una diversa distribuzione delle tensioni.
L'esempio numerico stabilisce una specifica di serraggio?
No. Ogni forza e ogni area al suo interno sono ipotetiche e illustrano soltanto le grandezze del ciclo.
Richiesta tecnica
Discutere la questione tecnica.
Un bullone precaricato non è necessariamente soggetto all'intera variazione di una forza esterna di separazione. Condividi il modello e le informazioni operative o di progettazione applicabili per una discussione tecnica.