[发明专利]一种低温工况下工作的螺栓常温预紧力计算方法

权利要求书

1.一种低温工况下工作的螺栓常温预紧力计算方法，其特征在于，包括以下 步骤：

1)计算各部件的轴向刚度

1-1)分别计算螺栓、螺母、螺栓头以及垫片的轴向刚度；

kb=EbAbLb---(1)]]>

kn=EnAnLn---(2)]]>

kh=EhAhLh---(3)]]>

kw=EwAwLw---(4)]]>

其中，k_b为螺栓的轴向刚度，k_n为螺母的轴向刚度，k_h为螺栓头的轴向刚度， k_w为垫片的轴向刚度，E_b为螺栓的材料弹性模量，E_n为螺母的材料弹性模量，E_h为螺栓头的材料弹性模量，E_w为垫片的材料弹性模量，A_b为螺栓的轴向截面积， A_n为螺母的轴向截面积，A_h为螺栓头的轴向截面积，A_w为垫片的轴向截面积，L_b为螺栓的轴向长度，L_n为螺母的轴向长度，L_h为螺栓头的轴向长度，L_w为垫片的 轴向长度；

1-2)当被连接件的外径d_a≤βd时，利用式(5)计算被连接件的轴向刚度k_c：

kc=πE′4L′(da2-(αd)2)---(5)]]>

当被连接件的外径d_a≥βd+L时，利用式(6)计算被连接件的轴向刚度k_cmax：

kcmax=E′d(0.59(β2-α2)dL′+0.2(β+α))---(6)]]>

当被连接件的外径βd≤d_a≤βd+L时，利用式(7)计算被连接件的轴向刚度k_c：

kc=kc0-kcmaxexp(πE′d(da-βd)2L′(kcmax-kc0))---(7)]]>

其中，β表示螺栓头外径的比例系数；d表示螺栓直径；α被连接件内径的 比例系数；k_c0表示当式(5)中d_a＝βd时的取值；E′表示被连接件的材料弹性模 量；L′表示被连接件的轴向长度

2)计算受压件整体刚度k_c'和变形分配系数m：

kc′=11kc+1kn+1kh+1kw---(8)]]>

m=kc′kc′+kb---(9)]]>

3)计算螺栓预紧力F_n的取值

3-1)计算螺栓预紧力F_n的取值推荐值：

F_n＝xσ_sA_b+m(α_b-α_c)ΔT·L_b·k_b(10)

其中，x为工作温度下对螺栓预紧应力水平的要求，σ_s为螺栓材料屈服应力， ΔT为工作温度与预紧温度的差值，α_b为螺栓材料的热膨胀率，α_c为被连接件材 料的热膨胀率；

3-2)如需保证螺栓应力集中处的强度时，预紧力F_n的取值范围按照下式计 算：

bσ_sA_b+m(α_b-α_c)ΔT·L_b·k_b≤F_n≤σ_sA_b/a+m(α_b-α_c)ΔT·L_b·k_b(11)

式中，b为工作温度下保持预紧性能的比例系数，a为螺栓连接结构最大应 力集中系数；

3-3)如需考虑螺栓在工作温度范围内的预紧力变化时，预紧力F_n的取值按 照下式计算：

Fn≤min{σsAb/a+m(αb-αc)ΔT1·Lb·kb,σsAb/a+m(αb-αc)ΔT2·Lb·kb}Fn≥max{bσsAb+m(αb-αc)ΔT1·Lb·kb,bσsAb+m(αb-αc)ΔT2·Lb·kb}---(12)]]>

式中，ΔT₁和ΔT₂分别为工作温度上下限与常温的差值；

3-4)当有外载荷叠加时，式(11)与式(12)可进一步改善为：

bσ_sA_b+m(α_b-α_c)ΔT·L_L·k_b≤F_n≤σ_sA_b/a+m(α_b-α_c)ΔT·L_b·k_b-P(13)

Fn≤min{σsA/a+m(αb-αc)ΔT1·L·kb-P,σsA/a+m(αb-αc)ΔT2·L·kb-P}Fn≥max{bσsA+m(αb-αc)ΔT1·L·kb,bσsA+m(αb-αc)ΔT2·L·kb}---(14)]]>

其中，P为外载荷的轴向分量。