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螺栓连接件剪切疲劳寿命分散性试验研究

来源: 作者: 点击:时间:2015-01-21
  

  螺栓连接是一种可拆卸的机械连接方式,在工程结构中的应用较为广泛。但由于螺栓连接件的疲劳寿命存在较大的分散性,给结构设计和定寿带来很大的困难。而对于影响疲劳寿命分散性的各种因素,国内外学者虽进行过不少研究,但至今仍没有一个明确的结论。本文首次从螺栓配合间隙对连接件疲劳寿命的影响方面来研究其寿命的分散性问题。

  1栓孔配合间隙对螺栓剪切刚度的影响以往在测定螺栓连接件的曲线时,都采用背靠背的双件连接组合件进行试验,由此得出的PW曲线是两个螺栓的平均值。为了获得单个螺栓的剪切特性,本文采用单剪试件来测定某种典型螺栓的剪切刚度,如图1所示。

  为能真实地反映出栓孔间隙对螺栓剪切刚度的影响,在生产现场随机抽检了80对典型螺栓( HB36x18)的栓孔配合间隙[1 ],其分布如图2所示。

  航空科学基金(编号: 97B52015)资助项目。

  第一作者:徐建新,男,副教授, 1967年7月生。

  经检验,母体符合正态分布,样本均值为X以上的栓孔间隙值落在( 0. 034~0. )范围内(距均值三个标准差的范围内)。

  选配其中8个配合间隙进行试验,其间隙大小如表1所示。经试验得到的栓孔间隙对螺栓剪切刚度的影响如图3所示。

  栓孔序号配合间隙/mm经检查,可以确定母体是遵循正态分布的,利用解析法可求出母体参数的估计值,分别计算在存活率P= 0. 1和P= 99. 9时的载荷值和螺栓的剪切刚度值,结果。

  由图3和表2可知:( 1)螺栓连接件配合间隙对螺栓剪切刚度有较明显的影响。对于HB36x18这种典型螺栓连接件,当变形W= 0. 2 mm时,栓孔间隙在0. 040 mm时的剪切刚度值最大,与栓孔间隙在0. 065 mm时的比值可达1. 5倍左右。

  ( 2)随着剪切变形δ的增大,栓孔配合间隙对螺栓剪切刚度的影响逐渐变小,当W= 1. 0时,螺栓的剪切刚度值几乎不随配合间隙而改变。

  ( 3)当存活率在0. 1~99. 9之间时,螺栓剪切刚度的分散度可达1. 57~2. 44倍。

  徐建新,等:螺栓连接件剪切疲劳寿命分散性试验研究2栓孔配合间隙对剪切疲劳寿命的影响分析2. 1试件设计为了验证栓孔配合间隙对螺栓连接件剪切疲劳寿命的影响,设计了单排四个螺栓连接件的试件,如图4所示。经有限元和应力严重系数法分析,可知最危险部位位于试件上板的第4孔位。因此,在装配试件时,第1, 2,3孔的栓孔配合间隙是随机抽取的,而第4孔的配合间隙是选配的。各孔的栓孔配合间隙如表3所示试件号栓孔配合间隙/m m 1孔(随机) 2孔(随机) 3孔(随机) 4孔(选配)寿命计算值上限N下限N寿命试验值2. 2试件寿命分析( 1)不考虑栓孔配合间隙对螺栓剪切刚度的影响(常规的分析方法):采用50存活率的螺栓剪切刚度和寿命曲线,在常幅加载下(平均应力为e 2,应力幅值为e) ,用应力严重系数法可以求出试件的中值疲劳寿命为N = 68 073次循环。最危险部位位于试件上板的第4孔位。

  ( 2)考虑栓孔配合间隙对螺栓剪切刚度的影响(本文的分析方法):仍用50存活率的S N寿命曲线,但螺栓的剪切刚度分别采用95置信区间的上限值和下限值。采用上述外载荷,经分析可知8个试件的最危险部位,仍在第4孔位的上板处,其疲劳寿命计算值如表3所示。

  2. 3试验结果与分析仍采用上述寿命估算时的载荷,对图4所示的试件进行疲劳寿命试验,结果如表3所南京航空航天大学学报示。以栓孔间隙为横坐标,以寿命值为纵坐标,螺栓连接件的寿命估算值和试验值如图5所示。

  寿命Ν的影响由图5可以看出,螺栓连接件的疲劳寿命试验值随栓孔配合间隙增大而减小。当配合间隙超过0. 080 mm以后,随着栓孔配合间隙的进一步增大,其疲劳寿命试验值基本趋于稳定。

  ( 1)考虑栓孔配合间隙对疲劳寿命的影响后,绝大多数试验值落在95置信区间的上下限寿命估算区间内。

  ( 2)关于栓孔检修周期与栓孔配合间隙关系的推论:目前,很多机型关键部位的使用寿命,是根据疲劳寿命试验值除以寿命分散系数来确定的。但是,在确定结构的使用寿命和检修周期时,并未考虑栓孔配合间隙对疲劳寿命的影响。因此,时有螺栓连接件未到检修周期就提前破坏的事故发生。特别是对于栓孔存在相互运动的配合关系,因使用中的磨损,使间隙不断变大,寿命值不断降低,如果不及时监控,将使飞机的这些部位处于危险的状态。

  3结论( 1)栓孔配合间隙对疲劳寿命的影响是严重的,上下限寿命值的比值可达3~10倍左右。因此,确定关键部位的螺栓连接寿命时,必须考虑栓孔配合间隙的影响( 2)对于使用中经常相互磨损的栓孔,随着栓孔配合间隙的不断增大,其寿命值逐渐降低,必须加以定期检测和控制。

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