Технологии / Техническое руководство
Циклическое нагружение болтов и усталость фланцев
Болт с предварительным натягом не обязательно воспринимает полное изменение внешней разъединяющей силы. Пока стык остаётся сомкнутым, это приращение распределяется между удлинением болта и уменьшением усилия сжатия.
Переменная составляющая усилия в болте не является его предварительной затяжкой.
Простая упругая модель явно показывает это различие. Она также показывает, почему изменение средней силы отличается от изменения амплитуды циклических напряжений.
01 / Сомкнутый контакт
Начните с определения механической границы.
Рассмотрим гипотетическое соосное соединение с осевой нагрузкой, представленное одной эквивалентной пружиной болта жесткостью kb и одной пружиной стягиваемых деталей жесткостью kc.
Рассмотрим гипотетическое концентрическое осевое соединение с одной эквивалентной пружиной болта жёсткостью kb и одной пружиной стягиваемых деталей жёсткостью kc. Начальное усилие натяжения болта F0 уравновешивается сжатием стягиваемых деталей. Внешняя разъединяющая нагрузка P прикладывается между торцами деталей.
Следующее соотношение предполагает линейно-упругие жесткости и сохранение сжимающего контакта. Оно не учитывает местный изгиб фланца, эффекты приложения нагрузки и изменение площади контакта. статическая модель жесткости соединения определяет это приращение; здесь рассматривается, что происходит при циклическом изменении P.
02 / Распределение нагрузки
Только часть приращения нагрузки увеличивает растягивающее усилие в болте.
Let C = kb/(kb +kc).
Пусть C = kb/(kb +kc). Усилие в болте составляет Fb = F0 +CP, а оставшееся усилие сжатия — Fc = F0 −(1 −C)P. Внешняя разъединяющая сила увеличивает растягивающее усилие в болте и одновременно уменьшает сжатие; она не просто целиком прибавляется к усилию в болте.
Обе величины удовлетворяют соотношению Fb −Fc = P. Такая проверка равновесия полезна, поскольку ошибка знака может дать два внешне правдоподобных выражения, которые не обеспечивают баланс. C — безразмерная доля жёсткости для указанных граничных условий, а не усталостная прочность материала или универсальный коэффициент фланца.
03 / Пример цикла.
Различайте размах, амплитуду и среднее значение.
Примем гипотетические значения C = 0.2, F0 = 600 N и цикл разъединяющей нагрузки от 40 до 140 N.
Примем гипотетические C = 0.2, F0 = 600 N и цикл разъединяющей нагрузки от 40 до 140 N. Усилие в болте изменяется от 608 до 628 N. Его размах составляет 20 N, амплитуда — 10 N, а среднее значение — 618 N. Размах внешней силы составляет 100 N.
При максимальном P оставшаяся сила зажима в модели составляет 600 −0.8×140 = 488 N, поэтому в этом примере сохраняется принятое допущение о замкнутом контакте. Ни одна из этих нагрузок не является предварительным натягом изделия, значением затяжки, предельной нагрузкой или целевым значением для регулировки на месте эксплуатации.
04 / Локализация напряжений
Номинальная амплитуда не равна напряжению во впадине резьбы.
Для заданной расчётной площади сечения при растяжении At номинальная амплитуда осевого напряжения равна σa = Fba/At.
Для заданной расчётной площади сечения при растяжении At номинальная амплитуда осевого напряжения составляет σa = Fba/At. В гипотетическом цикле при использовании иллюстративной площади 10 mm² получается 1 MPa. Соответствующее номинальное среднее напряжение составляет 61.8 MPa и рассчитано с использованием той же площади.
Локальное напряжение у основания впадины резьбы может отличаться из-за геометрии и местной передачи нагрузки. Описания номинальных и локальных напряжений нельзя смешивать с усталостными данными, относящимися к другому участку. А концентрация напряжений описывает локальный геометрический эффект; само по себе это не даёт кривой усталости.
05 / Влияние предварительной затяжки
Более высокий средний показатель не обязательно означает меньшую амплитуду.
В рамках той же линейной модели замкнутого соединения и при постоянном C изменение F0 сдвигает среднее значение усилия в болте, но оставляет его амплитуду неизменной: она равна амплитуде внешней нагрузки, умноженной на C.
В рамках той же линейной модели с нераскрывшимся стыком и при постоянном C изменение F0 сдвигает среднее значение усилия в болте, но оставляет амплитуду этого усилия неизменной и равной произведению C на амплитуду внешней нагрузки. Этот математический результат отделяет предварительную затяжку от переменного приращения усилия.
Изменения, влияющие на замыкание контакта или его жёсткость, могут изменить этот вывод. Они требуют другой физической модели, а не применения той же формулы за пределами условий её применимости. Поэтому это утверждение объясняет идеализированное сравнение, а не рекомендует увеличивать или уменьшать фактическое усилие предварительной затяжки болта.
06 / Граница усталости
Контакт и поведение материалов вызывают дополнительные вопросы.
При потере сжатия закон приращений для сомкнутого контакта уже не описывает соединение на протяжении всего цикла.
Если сжатие утрачивается, закон приращений для замкнутого контакта больше не описывает соединение на протяжении всего цикла. Изгиб, рычажный отрыв и неравномерное нагружение группы болтов также могут изменять то, какой болт воспринимает переменную силу. Положительная средняя сила стяжки не доказывает наличия контакта в каждой точке.
Даже правильно рассчитанный цикл напряжений требует подходящего описания усталости, включая любые обоснованные учёт среднего напряжения. В этом примере не приведены фактическая геометрия фланца, материал болтов, локальные напряжения и история нагружения. Для соединения MARSTON не устанавливаются срок службы или усталостная прочность.
Связанные технические руководства: Поправка на среднее напряжение при усталости ветротурбин · Механика отрыва и сдвига клеевых соединений · Критерии разрушения композитных лопастей: объяснение.
Общие сведения: NASA Reference Publication 1228 — Руководство по проектированию крепежных элементов, обсуждение циклической нагрузки.. Эти источники объясняют отраслевые понятия; они рассматриваются отдельно от применимой документации MARSTON на продукцию и проект.
Ключевые понятия и условия.
Рассматривайте каждую величину с её отсчётом, единицами и условиями. Общая зависимость не устанавливает значение для конкретной модели.
| Понятие / величина | Смысл / связь | Условия / пределы |
|---|---|---|
| Доля жёсткости | C = kb/(kb +kc) | Заданные границы упругой модели при сохранении контакта в стыке |
| Приращение усилия в болте | CP | Только часть нагрузки, раскрывающей соединение |
| Уменьшение усилия стяжки | (1 −C)P | Контакт должен сохраняться под сжимающей нагрузкой |
| Амплитуда силы | (Fb,max −Fb,min)/2 | Не начальное усилие натяжения болта |
| Амплитуда номинального механического напряжения | Fba/At | Площадь должна соответствовать месту определения напряжения |
Инженерные вопросы.
Передаётся ли болту изменение внешней силы в полном объёме?
Нет, в указанной упругой модели с нераскрывшимся стыком. Приращение усилия в болте равно CP.
Совпадает ли амплитуда напряжений с напряжением от предварительной затяжки?
Нет. Амплитуда равна половине размаха цикла; предварительная затяжка влияет на уровень силы и её среднее значение.
Всегда ли увеличение предварительной затяжки уменьшает переменные напряжения?
Нет. При постоянном коэффициенте распределения нагрузки, определяемом жёсткостями, и сохранении контакта это изменяет среднее значение, не меняя амплитуду.
Можно ли использовать соотношение для нераскрывшегося стыка после его раскрытия?
Нет. Физическая граница изменилась и требует другого описания.
Равно ли номинальное растягивающее напряжение напряжению во впадине резьбы?
Не обязательно. Локальная геометрия и передача нагрузки могут создавать иное распределение напряжений.
Устанавливает ли числовой пример требования к затяжке?
Нет. Все приведенные в нем силы и площади гипотетические и лишь иллюстрируют величины цикла.
Технический запрос
Обсудите технический вопрос.
Болт с предварительным натяжением не обязательно воспринимает весь размах изменения внешней разъединяющей силы. Предоставьте модель и применимые сведения об эксплуатации или проектировании для инженерного обсуждения.