连接中螺栓@@如何承受载荷@@

  在过去几十年@@里@@，紧固件行业在提高产品@@的设计和可靠性方面取得了巨大的进步@@。然而@@，无论紧固件本身设计和制造得多么好@@，它都不可能单独使用@@。

  对于紧固件的选择@@，应基于理解它如何承受载荷机制@@，以及拧紧工艺对其造成的的影响@@。

  今天@@，法士威@@给大家讲讲在连接设计中@@，螺栓@@如何承受外部载荷@@。

  在同一个应用中@@，完全拧紧的螺栓@@可以一直使用下去@@，而未拧紧或松动的螺栓@@可能会在几秒钟内失效@@。因为当外部负载施加到一个拧紧的螺栓@@的接头上时@@，螺栓@@不会承受全部的负载@@，通常只是其中的一小部分@@。这似乎有点违背常识@@，希望通过此文章@@能够解释清楚@@。

  螺栓@@是由弹性材料制成的@@，比如钢@@。当螺栓@@拧紧时@@，螺栓@@会像弹簧一样拉伸@@ (图@@1)。

被连接件通常也由同样有弹性的金属材料制成@@。当螺栓@@拧紧时@@，连接件像弹簧一样被压缩@@ (图@@2)。

 螺栓@@和被连接件结合在一起@@，作为一个组合弹簧系统@@。在拧紧的过程中@@，螺栓@@中的张力与接头中的压缩力平衡@@ (图@@3)。

  通过施加轴向载荷可以拉伸螺栓@@或压缩被连接件@@（图@@4）

  由于连接件的刚度通常是螺栓@@的五倍以上@@，所以@@，轴向载荷的主要影响是减少了连接件的压缩@@，而不是拉伸了螺栓@@@@。这一点可能很难被意识到@@。

  图@@5展示了将支架固定到支撑板的螺栓@@和螺母@@@@。

 当螺栓@@上的螺母@@松动时@@，如果支架增加@@1个单位力@@，如图@@@@6所示@@，则螺栓@@杆部将增加@@1个单位力@@。

  然而@@，如果螺母@@被拧紧@@，然后同样施加@@1个单位力@@，螺栓@@杆部的力则不会增加@@1个单位力@@，通常只增加该量的一小部分@@。

  现在@@思考一下@@，为什么螺栓@@不能承受所施加载荷的全部@@。

  通过一个模型可以帮助理解为什么螺栓@@不承受所施加载荷的全部@@。

   图@@7是通过使用特殊的紧固件来说明螺栓@@连接中涉及的载荷传递机制@@。在这种特殊装置中@@，直到施加的载荷超过紧固件的预紧力@@，紧固件才会承受显著的载荷增加@@。

  通过所示@@的特殊装置@@，螺栓@@可以在壳内自由移动@@，在壳内装有一个压缩弹簧@@，这样@@，如果螺栓@@被拉伸@@，弹簧将会被压缩@@。壳体侧面的刻度表示弹簧中存在的力@@，以此代表螺栓@@杆部中存在的力@@。图@@7显示螺栓@@未拧紧状态@@。

  现在@@，将螺栓@@插入支撑板和连接特殊装置的支架上@@，然后将螺母@@拧紧到螺纹上@@，如图@@@@8所示@@。

 螺母@@旋转@@，弹簧将被压缩@@。螺母@@旋转@@使@@2个单元力@@指示在壳体上@@，则作用在弹簧上的压缩力为@@2个单元力@@，螺栓@@杆部承受拉力也将为@@2个单元力@@。此时螺栓@@处于拧紧状态且不受任何工作负载@@。

  现在@@如果在支架上增加@@1个单元力@@ (如图@@@@9) ，那么@@通常的反应会认为螺栓@@中的载荷会增加@@，但令人惊讶的是@@，它仍将保持其现有值@@2-没有@@ “感觉到@@” 任何额外的力@@。

  为什么会这样@@@@?

  可以想象一下如果螺栓@@上的负载增加@@，那么@@，将压缩弹簧@@，并在支架和板之间形成间隙@@。如果要形成这样@@的间隙@@，则意味着将有@@2个单位的力@@向上作用@@，考虑到的力的平衡@@，目前仅施加了@@1个向上作用的单位力@@。

   所以@@实际发生的情况就是@@，施加的载荷仅是减小板和支架之间存在的夹紧力@@。

  在没有@@施加负载的情况下@@，夹紧力为@@2个单位力@@；而在施加负载后@@，夹紧力降低到@@1个单位的力@@。螺栓@@几乎不会@@ “感觉到@@” 任何施加的力@@，直到它超过它的夹紧力@@。

  图@@10显示了当施加了@@3个单位力@@负载时@@。连接将被分开@@，并且@@3个单位力@@将与弹簧中的@@3个单位的力@@达成平衡@@。

  从设计角度来讲@@，连接分离点通常被视为接头具有的有限长度的点@@。通常由于施加载荷的偏心率@@，还会产生弯曲力@@，反复作用会迅速导致螺栓@@疲劳失效@@。

 在实际实践中@@，在接头分离之前@@，螺栓@@将承受一定比例的施加载荷@@，承受量取决于螺栓@@对夹紧材料的相对刚度@@。这是由于拧紧时@@，对手件被压缩@@，螺栓@@被拉长@@。

  正如如图@@@@@@11所示@@。当施加载荷时@@，连接件的压缩量减小@@，相当于两个接合面之间的距离增加@@，同时螺栓@@上的载荷也增加@@。

  通过螺栓@@和接头的刚度以及压缩量@@，可以计算出螺栓@@承受的载荷@@。

  螺栓@@连接成功与否@@，关键是作用于连接界面的残余夹紧力@@。也就是说@@，施加外部载荷时是否会发生接头分离或移动@@。

  随着作用在接头上外部载荷的增加@@，夹紧接头的力逐渐减小@@。

  如果夹紧力由于施加的载荷而降低到零@@，螺栓@@将会完全承担该载荷的任何后续增加@@。

   研究表明@@，由于外部载荷的影响@@，导致连接层之间的夹紧力低于设计需求@@，是接头发生失效的主要故障@@，从而会引起液体的泄漏@@ (密封要求的连接@@) 或螺栓@@松动@@、疲劳断裂@@。

  在实际应用中@@，通过螺栓@@的提供的夹紧来增加摩擦力@@，可有效地防止连接件的移动@@，所以@@必须保持一定水平的夹紧力@@。

  如果夹紧力降低到@@该水平以下@@，则会导致接头移动@@，从而大大增加@@ 螺母@@/螺栓@@头下的塑性变形风险@@， 导致螺栓@@失去预紧力@@，从而引起松动或疲劳失效@@。