Tecnologia / Guida tecnica
Rigidezza dei giunti bullonati: ripartizione del carico e separazione delle superfici di contatto
Una forza esterna di separazione non si aggiunge necessariamente in rapporto uno a uno alla forza di trazione in un bullone precaricato finché il giunto rimane chiuso. Una parte può aumentare la forza di trazione nel bullone, mentre un'altra riduce la compressione degli elementi serrati. La rigidezza relativa spiega questo meccanismo idealizzato di ripartizione del carico.
Segui entrambi i percorsi elastici nel giunto chiuso.
Il bullone e gli elementi serrati subiscono variazioni diverse rispetto al loro stato di forza iniziale. Definire i moduli positivi delle forze di trazione e compressione mantiene coerente l'equilibrio e chiarisce dove la semplice relazione a contatto chiuso cessa di essere applicabile.
01 / Stato iniziale
La trazione nel bullone e la compressione degli elementi collegati formano una coppia.
Nel semplice giunto assiale precaricato utilizzato qui, la forza di trazione iniziale del bullone ha modulo F0 e la forza di compressione degli elementi serrati ha lo stesso modulo e verso opposto.
Nel semplice giunto assiale precaricato qui considerato, la forza iniziale di trazione del bullone ha modulo F0 e la forza di compressione degli elementi serrati ha lo stesso modulo e verso opposto. In quello stato iniziale non è presente alcuna forza esterna di separazione. L'assieme completo presenta forze interne anche quando la risultante delle forze esterne è nulla.
Il precarico è uno stato di forza, non la stessa grandezza della coppia di serraggio. Il Guida a precarico e coppia tratta questa distinzione. Questo articolo non fornisce alcuna conversione da coppia a forza né un valore effettivo del precarico iniziale.
02 / Modello a due molle
La rigidità relativa determina un incremento definito.
Siano kb la rigidezza assiale del bullone e km la rigidezza degli elementi serrati, entrambe in N/m.
Siano kb la rigidezza assiale del bullone e km la rigidezza degli elementi serrati, entrambe in N/m. In un modello lineare concentrico a due molle con un carico di separazione applicato alle estremità rappresentate, si definisce C = kb/(kb + km). Il mantenimento del contatto chiuso e le ipotesi del modello sull'introduzione del carico sono essenziali.
Un’analisi dei giunti della NASA fornisce questa frazione elementare di rigidezza; l’appendice più ampia della NASA sugli elementi di fissaggio distingue inoltre gli effetti del piano di applicazione del carico. Una flangia reale soggetta a flessione, effetti di leva, presenza di più bulloni o diversi piani di introduzione delle forze non è automaticamente descritta da questo unico modello scalare.
03 / Suddivisione del carico
La forza di trazione nel bullone aumenta mentre la compressione degli elementi serrati diminuisce.
Per una forza esterna di separazione di modulo P in questo modello definito di giunto chiuso, la forza di trazione nel bullone diventa Fb = F0 + CP.
Per una forza esterna di separazione di modulo P, in questo modello definito di giunto chiuso, la forza di trazione nel bullone diventa Fb = F0 + CP. Il modulo della forza di compressione residua negli elementi serrati diventa Fm = F0 − (1 − C)P. La loro differenza è P, in accordo con il bilancio dichiarato delle forze esterne.
Il modello non afferma che il carico sul bullone rimanga completamente invariato. Inoltre, non attribuisce l'intero P al bullone prima della separazione. I due percorsi di carico si deformano in modo compatibile, mentre i rispettivi incrementi di forza hanno segni diversi rispetto agli stati iniziali di trazione e compressione.
04 / Illustrazione
Una ripartizione ipotetica del carico mantiene entrambe le grandezze.
Si assumano C = 0.25, F0 = 500 N e P = 200 N al solo scopo di eseguire i calcoli.
Si assumano C = 0.25, F0 = 500 N e P = 200 N al solo scopo del calcolo aritmetico. Il modello fornisce una forza di trazione nel bullone di 550 N e una compressione residua di 350 N. La loro differenza di 200 N è l'entità della forza separatrice applicata.
La riduzione della forza di compressione è di 150 N, mentre l'incremento della forza nel bullone è di soli 50 N. Questi numeri spiegano il meccanismo, non una specifica del bullone, un obiettivo di serraggio o un carico accettato sulla flangia. Modificare la frazione di rigidezza cambia questa ripartizione senza modificare l'equilibrio della forza esterna.
05 / Separazione
Un'espressione valida a contatto chiuso non può essere estesa indefinitamente.
Nel modello semplice, la compressione residua si annulla quando P = F0/(1 − C), purché C sia almeno zero e inferiore a uno.
Il modello semplice raggiunge una compressione residua nulla quando P = F0/(1 − C), purché C sia almeno zero e inferiore a uno. Oltre tale limite, mantenere un valore negativo della compressione consentirebbe erroneamente a un normale contatto di trasmettere trazione. Uno stato di contatto modificato richiede una rappresentazione modificata.
In un giunto più complesso, l'apertura locale può verificarsi anche prima della separazione completa e uniforme. Contano la geometria di contatto, la flessione e i dettagli di introduzione del carico. Il limite del modello elementare non rappresenta quindi né il carico effettivo di separazione della flangia né il limite di resistenza dell'intero assieme.
06 / Ambito
La rigidità incrementale differisce dalle impostazioni di installazione.
La rigidità può variare in base al contatto e allo stato di carico.
La rigidezza può variare con il contatto e lo stato di carico. I dettagli della filettatura, degli elementi e dell'interfaccia contribuiscono alla risposta complessiva. Una frazione ideale basata su un modello a molle è utile per comprendere le forze, ma non può fornire l'effettiva pressione di contatto locale, il comportamento a fatica o il trasferimento per attrito.
Qui non viene assegnato alcun valore MARSTON di kb, km, precarico iniziale o frazione di ripartizione del carico. La guida resta una spiegazione meccanica, senza sequenze di serraggio, procedure di ispezione, istruzioni di sostituzione o affermazioni secondo cui una qualsiasi flangia soddisfi un margine numerico di progetto.
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Prosegui la valutazione dei carichi sul giunto con carico ciclico di bulloni e fatica della flangia.
Informazioni generali: Analisi NASA dei giunti: frazione elementare di rigidezza bullone/elementi serrati · Appendice NASA sugli elementi di fissaggio: applicazione del carico e ambito del modello a molle. 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 |
|---|---|---|
| Rigidezza del bullone | kb in N/m | Percorso elastico assiale definito. |
| Rigidezza degli elementi collegati | km in N/m | Percorso elastico compresso definito. |
| Frazione con giunto chiuso. | C = kb/(kb + km) | Modello lineare concentrico e applicazione del carico all'estremità. |
| Incremento della forza nel bullone | CP in N | La forza di trazione iniziale e l'incremento dovuto al carico esterno sono distinti. |
| Riduzione della compressione | (1 − C)P in N | L'assenza di compressione indica un confine nel modello. |
Domande ingegneristiche.
L'intera forza esterna si aggiunge sempre alla forza di trazione nel bullone?
No. Il modello dichiarato di giunto chiuso ripartisce l'incremento tra due percorsi.
Il precarico rende completamente costante la tensione nel bullone?
No. Il modello ideale continua ad avere un incremento CP.
C è una costante universale delle flange?
No. La rigidità, l'introduzione del carico e le condizioni di contatto sono importanti.
È lecito prolungare la compressione degli elementi nel campo negativo interpretandola come una normale trazione di contatto?
No. Il modello di contatto deve cambiare in corrispondenza della separazione.
L'espressione relativa alla separazione determina la resistenza effettiva della flangia?
No. Appartiene al modello semplice e non valuta ogni possibile guasto.
I valori di forza dell'esempio sono obiettivi di serraggio?
No. Si tratta di calcoli esplicitamente ipotetici.
Richiesta tecnica
Discutere la questione tecnica.
Una forza esterna di separazione non si somma necessariamente per intero alla forza di trazione in un bullone precaricato finché il giunto rimane chiuso. Condividi il modello e le informazioni operative o di progetto applicabili per una discussione tecnica.