技術 / テクニカルガイド

ボルト接合部の剛性：荷重分担と接触面の分離

接合面が閉じた状態に保たれている間、外部からの分離力が、予荷重を与えたボルトの引張力に必ずしも一対一で加算されるわけではありません。その一部はボルトの引張力を増加させ、別の一部は締結部材の圧縮力を減少させます。相対剛性によって、この理想化された荷重分担の仕組みを説明できます。

技術的なお問い合わせ製品を見る

接合面が閉じた状態の接合部で、両方の弾性経路をたどってください。

ボルトと被締結部材では、初期の力の状態からの変化が異なります。引張力と圧縮力の大きさを正の値として明示することで、力の釣合いを一貫して扱え、接触が保たれる場合の単純な関係がどこから適用できなくなるかが明確になります。

01 / 初期状態

ボルトの張力と部材の圧縮は一対をなします。

ここで用いる単純な軸方向予荷重接合では、初期ボルト引張力の大きさは F0 で、被締結部材の圧縮力も同じ大きさで反対方向に作用します。

ここで用いる単純な軸方向予圧締結部では、ボルトの初期引張力の大きさはF0であり、部材の圧縮力はそれと同じ大きさで逆向きに作用します。この初期状態では、外部からの分離力は作用していません。組立体全体には、外力の合力がゼロでも内力が存在します。

予圧は力の状態であり、締め付けトルクと同じ量ではありません。プレロードとトルクに関するガイドその違いを説明しています。この記事では、トルクから力への換算や、実際の初期予荷重値は示していません。

02 / 二つのばねによるモデル

相対剛性によって、定義された増分が決まります。

ボルトの軸方向剛性をkb、被締結部材の剛性をkmとし、いずれも単位はN/mとします。

kbをボルトの軸方向剛性、kmを被締結部材の剛性とし、いずれも単位はN/mとします。同軸の二つのばねからなる線形モデルで、モデルに示された両端に分離荷重が導入される場合、C = kb/(kb + km)と定義します。接触が維持されていること、およびモデルの荷重導入に関する仮定が不可欠です。

NASAの締結部解析では、この基本的な剛性比が示されています。また、NASAの締結部品に関するより広範な付録では、荷重作用面の影響も区別されています。曲げ、こじり作用、複数のボルト、または異なる荷重導入面を伴う実際のフランジを、この単一のスカラーモデルでそのまま記述できるとは限りません。

03 / 荷重分担

ボルトの引張力が増加する一方、部材の圧縮力は減少します。

この定義された接合面が閉じたままのモデルでは、外部からの分離荷重の大きさをPとすると、ボルト軸力はFb = F0 + CPとなります。

ここで定義した接合面が閉じた接合モデルでは、外部から作用する分離力の大きさをPとすると、ボルト軸力はFb = F0 + CPとなります。被締結部材に残る圧縮力の大きさはFm = F0 − (1 − C)Pとなります。両者の差はPであり、ここで示した外力の釣り合いと整合します。

このモデルは、ボルト荷重が完全に変わらないとは述べていません。また、接合面が分離する前に P のすべてがボルトに作用するともしていません。二つの荷重経路は変形の適合条件を満たす一方、それぞれの力の増分は、初期の引張状態と圧縮状態に対して異なる符号を持ちます。

04 / 図解

仮想的な荷重分担では、両方の量を保持します。

計算例のためだけに、C = 0.25、F0 = 500 N、P = 200 N と仮定します。

計算のためだけに、C = 0.25、F0 = 500 N、P = 200 Nと仮定します。このモデルでは、ボルトの引張力は550 N、残存圧縮力は350 Nとなります。その差200 Nが、加えられた引き離し力の大きさです。

圧縮力の減少は150 Nですが、ボルト軸力の増加は50 Nにすぎません。これらの数値は仕組みを説明するものであり、ボルトの仕様、締付け目標値、許容されるフランジ荷重を示すものではありません。剛性比を変えると、外力の釣合いを変えずに、この配分が変化します。

05 / 分離

接触が閉じている状態の式を、無制限に適用し続けることはできません。

この単純モデルでは、C がゼロ以上一未満である場合、P = F0/(1 − C) のときに残留圧縮力がゼロになります。

この単純モデルでは、Cがゼロ以上かつ一未満の場合、P = F0/(1 − C) で残留圧縮力がゼロになります。その境界を超えて圧縮力の大きさを負のまま扱うと、通常の接触面が引張力を負担できると誤って表現することになります。接触状態が変われば、その表現も変更する必要があります。

より複雑な接合部では、全体が一様に完全分離する前に、局所的な開きが生じることもあります。接触形状、曲げ、および荷重が加わる部分の詳細が重要です。したがって、この初歩的なモデルの境界値は、実際のフランジの分離荷重や、組立体全体の強度限界を表すものではありません。

06 / 対象範囲

増分剛性は、取り付け時の設定とは異なります。

剛性は接触状態や荷重状態によって変化することがあります。

剛性は接触状態や荷重状態によって変化することがあります。ねじ、部材、接合面の詳細が、全体の応答に関与します。理想的なばねの分担率は力を理解するのに役立ちますが、実際の局所接触圧力、疲労挙動、摩擦による力の伝達を求めることはできません。

ここでは、MARSTONの kb、km、初期予圧または荷重分担率を設定していません。このガイドは機械的な説明にとどまり、締付け順序、検査手順、交換手順を示すものでも、いずれかのフランジが数値的な設計余裕を満たすと主張するものでもありません。

以下を用いて接合部荷重の検討を続けてください：周期的なボルト荷重とフランジ疲労.

一般的な背景情報： NASAの接合部解析：ボルトと被締結部材の剛性比の基礎 · NASAの締結部品に関する付録：荷重導入とばねモデルの適用範囲。これらの参考資料は業界の考え方を説明するものであり、適用するMARSTONの製品資料やプロジェクト資料とは別のものです。

主な概念と条件。

各量を、その基準、単位、明示された条件と一緒に読んでください。一般的な関係から、特定モデルの値が確定するわけではありません。

概念 / 量	意味 / 関係	条件 / 限界
ボルトの剛性	kb（単位：N/m）	定義された軸方向の弾性経路。
部材剛性	km（単位：N/m）	定義された、圧縮を受ける弾性経路。
接合部の閉鎖率	C = kb/(kb + km)	線形の同心モデルと端部からの荷重導入。
ボルト軸力の増分	CP（単位：N）	初期張力と外力による増分は別のものです。
圧縮力の減少	(1 − C)P（単位：N）	ゼロ圧縮は、モデルの境界を示します。