內容簡介
本書概述瞭在螺紋聯接的設計和評估時應注意的基本原理及相關事項。內容包括螺紋聯接設計的基本過程、螺紋聯接的故障現象、螺紋聯接的原理、螺紋聯接設計中所涉及的知識、聯接設計可靠性測試過程中需要注意的事項、導緻螺紋聯接故障原因的關鍵點、螺紋聯接檢查方法以及常用的螺栓、螺母之外的其他緊固件的聯接方法;詳細介紹瞭螺紋聯接設計計算實例。為便於理解,本書盡可能避免瞭偏重於嚴密性的細緻描述以及特殊情況的記述,把理解螺紋聯接的通用基礎知識作為目標。
本書的內容是作者在豐田汽車公司長期工作所獲得的知識和經驗。
內頁插圖
目錄
序
譯者的話
前言
第1章螺紋聯接設計的基本
過程1
第2章螺紋聯接的故障現象3
2.1擰緊過程中的故障3
2.2擰緊過程後的故障4
2.3故障的特點和原因5
第3章螺紋緊固件的基本
原理7
3.1螺紋緊固件的力學原理7
3.1.1斜麵原理7
3.1.2緊固扭矩與螺栓軸嚮預緊力
之間的關係8
3.1.3螺栓軸嚮預緊力與螺栓、被
聯接件的彈性變形之間的
關係12
3.1.4外加載荷和施加在螺栓上的
載荷之間的關係14
3.1.5螺栓和被聯接件的彈簧
常數19
3.2螺紋緊固件的裝配24
3.2.1軸嚮預緊力作用下螺栓的
屈服24
3.2.2扭矩(緊固)法27
3.2.3塑性區緊固法29
3.2.4其他裝配方法31
3.3螺栓的靜態失效32
3.3.1螺栓的拉伸斷裂32
3.3.2螺栓的剪切斷裂32
3.4螺栓的疲勞斷裂33
3.4.1疲勞斷裂33
3.4.2螺紋的疲勞斷裂34
3.4.3偏心載荷作用下的係統
形變圖35
3.4.4螺紋的疲勞極限36
3.5螺紋失效38
3.6螺栓的延遲斷裂43
3.7被聯接件的分離45
3.8被聯接件的滑動46
3.9螺栓鬆動47
3.9.1鏇轉鬆動47
3.9.2非鏇轉鬆動57
3.9.3防鬆措施67
3.10螺紋規格72
3.10.1螺紋的基本形狀72
3.10.2螺紋牙底的形狀73
3.10.3外螺紋的應力麵積73
3.10.4支承麵麵積74
3.10.5螺栓和螺母的力學性能74
3.10.6螺栓頭下圓角半徑76
第4章螺紋聯接設計方法77
4.1確定作用在機器(係統或部件)
上的載荷78
4.2計算作用在螺紋聯接係統上的
載荷79
4.3將螺紋聯接係統上的載荷分解成
剪切載荷分量、拉伸載荷分量
和偏心量79
4.4防止各種問題發生的研究79
4.4.1與剪切載荷Ws有關的
研究79
4.4.2(純)拉伸載荷的研究83
4.4.3偏心拉伸載荷的研究85
4.5螺栓尺寸、螺栓強度和緊固扭矩
的確定86
4.6對過度擰緊和應力腐蝕開裂的
研究88
4.7使用樣件進行功能驗證試驗89
第5章螺紋聯接可靠性評價
方法90
5.1樣品的條件90
5.2試驗載荷91
5.2.1概述91
5.2.2最大保證載荷91
5.2.3防滑保證載荷91
5.2.4防鬆保證載荷91
5.2.5防分離保證載荷92
5.2.6防疲勞保證載荷92
5.2.7溫度92
5.3故障分析跡象92
5.3.1是否擰緊92
5.3.2螺栓失效原因93
5.3.3鬆動及其原因研究93
5.4故障特徵99
5.4.1剪切載荷作用下的鏇轉
鬆動99
5.4.2拉伸載荷作用下的螺栓
疲勞斷裂100
5.4.3蠕變(應力鬆弛)引起的
鬆動100
5.5鬆動的測量方法101
5.5.1殘餘扭矩的測量方法101
5.5.2螺栓和螺母的鬆動角度測量
方法102
5.5.3彈簧墊圈上升量測量
方法103
5.5.4檢查鏇轉和滑動存在的
方法103
5.5.5殘餘軸嚮預緊力的測量
方法104
5.6軸嚮預緊力的測量方法104
5.6.1使用超聲軸嚮預緊力測
量儀的方法104
5.6.2使用螺栓貼應變片的測量
方法106
5.6.3使用壓力傳感器的方法108
5.7螺紋緊固件摩擦係數的測量
方法109
5.7.1樣品109
5.7.2測量裝置109
5.7.3擰緊速度110
5.7.4螺紋摩擦係數、支承麵摩擦
係數和總摩擦係數的
計算110
螺紋緊固件聯接工程目錄第6章螺紋聯接的檢查方法113
6.1緊固扭矩和檢查扭矩之間的
關係113
6.2緊固扭矩的檢查114
6.3緊固扭矩的監測和記錄114
6.4根據軸嚮預緊力進行的檢查114
第7章各類螺紋緊固件的
使用116
7.1墊片116
7.1.1墊片的承載錶麵功能117
7.1.2墊片的隔離功能117
7.1.3彈簧墊圈的彈簧功能118
7.1.4墊片的必要性120
7.2雙頭螺柱120
7.3自攻螺釘121
7.4止動部件122
7.4.1螺紋阻力型止動123
7.4.2機械式止動124
7.4.3支承麵阻力型止動125
7.4.4膠粘劑125
7.4.5如何評價止動部件的
性能125
7.5雙螺母128
7.6粗牙螺紋和細牙螺紋128
7.7支承麵角度129
第8章螺紋設計計算實例131
8.1承受剪切載荷的聯接係統:麯軸
和飛輪之間的聯接131
8.2承受扭轉載荷的聯接係統:麯軸
和帶輪之間的聯接137
8.3承受偏心拉伸載荷的聯接係統:
連杆和連杆蓋之間的聯接145
8.4承受慣性力的聯接係統:安裝
計算機152
8.5承受一次性大衝擊載荷的聯接
係統:安全帶肩帶固定器的
安裝156
8.6電氣功能件的聯接係統:車窗
玻璃電動升降器的安裝162
8.7暴露於高溫下的聯接係統:
排氣歧管和排氣管之間的
聯接166
第9章為進一步理解螺紋緊固件
進行的計算練習171
附錄185
附錄A附圖185
附圖1~6六角頭螺栓(粗牙)
的T-F-μ-σy
圖185~188
附圖7~12六角法蘭麵螺栓(細
牙)的T-F-μ-σy
圖188~191
附圖13~18小六角頭螺栓(細牙)的T-F-μ-σy
圖191~194
附錄B附錶194
附錶1螺紋中徑、底徑、應力麵積
(As)和牙底橫截麵積(A3)
一覽錶194
附錶2外螺紋零件(粗牙和細牙
螺紋)軸嚮拉伸試驗中最
小屈服載荷196~197
附錶3材料的臨界麵壓198
附錶4支承麵積Aw(最小值)和
應力麵積As比值錶199
附錶5支承麵等效摩擦直徑
dw200
附錶6接觸麵的摩擦係數201
附錶7不同材料的熱膨脹係數α、
彈性模量E和剪切
模量G201
附錶8推薦的螺紋臨界嚙閤
長度值203
附錶9從維氏硬度值獲得的鋼鐵
材料(光滑試樣)強度值
的估算203
附錄C符號列錶204
參考文獻207
前言/序言
幾乎所有裝置都會使用螺紋緊固件,所以螺紋緊固件聯接技術是確保機械係統可靠性的最重要技術之一。
因為頻繁使用,螺紋緊固件已成為最標準化的部件之一,也就是說,可以根據螺栓的尺寸(名義直徑、長度、頭部形狀等)及其強度等級創建零件目錄錶,需要時,隻要從目錄錶中選擇適閤的螺栓即可。因此,即使螺栓本身的具體形狀和強度還未按其功能和強度要求來確定,那也可以通過“選擇”就“設計”齣來,所以說螺栓是非常方便設計的零部件。
如果選擇是在完整的設計計算之後進行,並且注意到瞭細節,那是沒有問題的。但實際上很多情況下隻是進行瞭簡單的選擇。例如,在很多情況下,選擇往往隻是基於直覺或者感覺、與類似産品或成功機型相比較以及模仿知名的和/或深受歡迎的産品。如果選擇瞭過高性能的螺栓,不會齣現什麼問題;但如果選擇瞭可能會導緻鬆動、損壞或泄漏的螺栓,則可能會導緻設備在使用期間齣現故障,有時會齣現更加嚴重的後果。
此外,也許因為螺紋緊固件是太常見的零部件,工程師們往往不會特彆關注螺紋緊固件,尤其是當他們設計或擰緊螺紋緊固件時。
即使要可靠地進行螺紋緊固件聯接的設計,工程師們還不完全瞭解應當研究哪些方麵的問題和如何去研究。因此,掌握螺紋緊固件聯接的技術和知識往往是很睏難的。
由於上述原因,仍然有許多與螺紋聯接有關的技術問題還沒有得到解決,其中有一些是反復齣現的問題。
基於上述背景,為瞭提高螺紋聯接的可靠性,本書概述瞭在螺紋聯接的設計和評估時應注意的基本原理及其他相關事項。
在本書中,第1章首先介紹瞭螺紋聯接設計的基本過程,這樣能對螺紋聯接設計的整個過程有所瞭解。第2章列舉瞭“螺紋聯接的故障現象”,明確瞭螺紋聯接係統設計時必須研究的項目。通過在開端部分就清楚地羅列齣螺紋聯接的所有故障現象,讓讀者知道在螺紋聯接係統的設計和測試時要做的事情。第3章介紹瞭螺紋聯接的原理,以及簡明地敘述瞭螺紋聯接設計中所涉及的知識。第4章使用瞭第3章給齣的基本結論,對在一個具體的螺紋聯接設計過程中如何避免第2章描述的所有螺紋聯接故障現象進行瞭詳細說明。第5章介紹瞭聯接設計可靠性測試過程中需要注意的事項,分析瞭導緻螺紋聯接故障原因的關鍵點。第6章簡要說明瞭螺紋聯接檢查方法;第7章簡要介紹瞭常用的螺栓、螺母之外的其他緊固件的聯接方法;最後,第8章和第9章詳細介紹瞭螺紋聯接設計計算實例。
為便於理解,盡可能避免瞭偏重於嚴密性的細緻描述以及例外事項的記述,把理解螺紋聯接的通用基礎知識作為第一目標。要瞭解更多細節和螺紋聯接的基本知識,請參閱參考文獻。
螺紋緊固件聯接工程前言第3章“螺紋緊固件的基本原理”涉及許多在以往齣版的其他文獻中介紹過的內容。其他章節所介紹的重要的知識,是作者在豐田公司長期工作經驗的積纍,而這些章節的內容沒有被其他以往發錶的文獻係統地描述過。如上麵所提到的,根據個人的知識和經驗確定第1章和第2章的內容和安排,以後章節的順序是先理解基本過程,然後瞭解有關螺紋聯接的所有故障和主要問題的解決。希望讀者在讀瞭這本書後,能夠加深對螺紋聯接本質的理解,提高設計和評價的質量,解決許多故障的根源,進而提高螺紋聯接的可靠性。
在寫本書過程中,作者參考瞭由Yamamoto編寫的《螺紋聯接的理論與計算》《螺紋聯接的原理與設計》,由Yamamoto主編的《螺紋聯接設計要點》,以及VDI 2230第一部分的部分內容,在這裏對他們錶達我衷心的感謝和敬意。
本書的內容是我在豐田汽車公司長期工作所獲得的知識和經驗,這裏要感謝豐田汽車公司允許這本書的齣版。此外,在此我還要感謝豐田汽車公司的總經理酒井敏光先生,感謝他對本書的推薦齣版和一直以來的大力支持。
本書獻給我早逝於第二次世界大戰的父親、悉心指導我成長的母親和一直堅定不移支持我的賢淑妻子。
作者
現代結構工程中的新型復閤材料與結構設計 本書聚焦於二十一世紀結構工程領域最前沿的研究方嚮之一:高性能復閤材料在大型土木和機械結構中的應用、設計方法與性能評估。 本書旨在為結構工程師、材料科學傢、研究生以及相關行業的專業人士提供一份全麵、深入且具有前瞻性的技術參考資料。我們摒棄瞭傳統結構力學教材中對單一材料(如鋼、混凝土)的過度依賴,轉而深入探討如何利用縴維增強復閤材料(FRP)、智能復閤材料以及先進納米材料的獨特優勢,構建更輕質、更耐久、更具環境適應性的現代基礎設施和關鍵工程構件。 --- 第一部分:復閤材料的本構關係與微觀力學基礎 (約400字) 本部分為理解復閤材料的復雜行為奠定瞭理論基石。我們從細觀尺度齣發,詳細解析瞭縴維、基體及其界麵相互作用對宏觀力學性能的影響。 1. 縴維增強復閤材料(FRP)的各嚮異性建模: 深入探討瞭層閤闆理論(Classical Lamination Theory, CLT)的局限性與改進,引入三維本構關係,特彆是針對斜交鋪層和非綫性粘彈性基體的應力應變描述。重點講解瞭玻爾-傅裏葉(Voigt-Reuss)模型、Hashin-Shtrikman 邊界以及 Mori-Tanaka 模型的適用性邊界。 2. 損傷容限與斷裂韌性: 復閤材料的失效模式遠比金屬復雜。本書詳盡分析瞭基體開裂、縴維拔齣、分層(Delamination)的微觀機製。我們引入瞭基於能量釋放率的斷裂力學方法(如 GIC, Mode I/II 復閤加載下的能量釋放率計算),並結閤 X 射綫層析成像技術(X-ray Tomography)對損傷演化進行實時監測。 3. 熱-濕-力耦閤效應: 結構在實際服役環境中不可避免地暴露於溫度和濕度的變化。本章闡述瞭復閤材料中組分材料的熱膨脹係數和吸濕膨脹差異如何導緻內部殘餘應力,以及這些殘餘應力對結構疲勞壽命和抗蠕變性能的負麵影響。我們提齣瞭考慮環境因素的有效模量摺減模型。 --- 第二部分:先進復閤材料在結構設計中的應用 (約550字) 本部分將理論研究轉化為實際工程應用,重點關注新型材料的選擇、優化設計方法和全壽命周期評估。 1. 輕量化橋梁與高層建築應用: 探討瞭使用碳縴維增強聚閤物(CFRP)和芳綸縴維增強聚閤物(AFRP)作為主受力構件(如預應力梁、外包加固層)的設計規範和施工技術。重點分析瞭鋼-復閤材料混閤結構(Hybrid Structures)的協同工作機製,以及如何利用其高比強度和耐腐蝕性實現結構壽命的顯著延長。 2. 智能與自修復復閤材料: 這一前沿章節介紹瞭嵌入式光縴傳感器(FBG)網絡在復閤材料結構健康監測(SHM)中的應用。更進一步,我們詳細介紹瞭基於微膠囊技術和形狀記憶聚閤物的自修復機製,分析瞭修復效率、修復次數對結構剩餘承載力的影響,為實現“零維護”結構提供瞭理論指導。 3. 耐久性與環境退化分析: 復閤材料的長期服役性能是設計中的關鍵挑戰。本書深入分析瞭紫外綫輻射、化學侵蝕(如氯離子滲透)以及長期靜態荷載下的蠕變鬆弛現象。我們基於加速老化試驗數據,構建瞭基於概率的結構剩餘壽命預測模型,用以指導風險評估和維護周期確定。 4. 製造工藝與質量控製: 材料的最終性能高度依賴於製造過程。本部分詳細對比瞭真空輔助樹脂灌注(VARTM)、纏繞成型和自動鋪放(AFP)等工藝對産品內部孔隙率、縴維體積分數和界麵質量的影響,並介紹瞭超聲波無損檢測(UT)在評估大型復閤材料構件內部缺陷中的最佳實踐。 --- 第三部分:數值模擬與優化設計方法 (約550字) 本部分著重於先進的計算力學工具,以應對復閤材料高度非綫性和復雜的幾何形態。 1. 有限元分析(FEA)的特殊處理: 傳統商業軟件中對復閤材料單元(如殼單元、實體單元)的輸入參數處理往往過於簡化。本書提供瞭詳細指導,說明如何精確輸入正交各嚮異性材料屬性,並使用子層建模技術(Sub-ply Modeling)來準確模擬分層和界麵失效。特彆關注瞭在涉及大變形的分析中,如何使用非綫性幾何理論(如大變形理論)來修正應力分布。 2. 拓撲優化與多目標設計: 結構設計的最終目標是效率最大化和成本最小化。我們引入瞭基於密度的拓撲優化方法,結閤復閤材料的鋪層設計自由度,實現結構在特定載荷工況下的材料最優布局。這包括對剛度、重量和製造成本進行的多目標帕纍托前沿分析,幫助工程師在不同約束條件下做齣最優選擇。 3. 接觸與碰撞模擬: 在涉及復閤材料構件與其他材料(如金屬連接件)的接觸區域,應力集中現象顯著。本書介紹瞭基於罰函數法和增廣拉格朗日法的接觸算法,以及如何模擬復閤材料在衝擊載荷下的侵蝕(Erosion)模型,這對於車輛碰撞安全結構和設備防護設計至關重要。 4. 尺度效應與本構模型的驗證: 復閤材料的性能錶現齣明顯的尺寸效應。本章強調瞭如何通過係統化的試驗設計(DOE)來驗證數值模型,特彆是在進行尺度擴展時,如何從試樣級數據可靠地推算至構件級乃至結構級的性能預測。我們還討論瞭隨機有限元方法在處理材料不確定性方麵的應用。 --- 本書的特色在於,它不僅深入剖析瞭復閤材料的內在力學特性,更強調瞭從材料科學、製造技術到先進數值模擬的完整工程鏈條的有機結閤,為讀者提供瞭麵嚮未來基礎設施建設的綜閤性知識體係。