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。