螺栓球节点网架用高强螺栓的疲劳影响因素及缺口效应分析
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摘要
螺栓球节点网架的疲劳主要是节点的疲劳，而节点的疲劳关键是高强螺栓的疲劳。
本文从材料、构造加工、制作安装及工作应力等四个方面系统地分析了高强螺栓的疲劳影响因素及影响程度。
应力集中是高强螺栓发生疲劳断裂最主要的原因。本文以ANSYS有限元软件为研究手段，针对网架螺栓球节点的8种螺栓规格进行单缺口应力集中分析，定量求得相应的应力集中系数K_t；论述了螺纹升角φ、螺纹牙根圆角半径R及球栓直径比D/d对K_t的影响，并引入相应的影响系数α_1、α_2及α_3，最终提出了应力集中系数K的计算公式。在K研究工作的基础上，求得相应的疲劳缺口系数K_f，进而推定高强螺栓的疲劳极限应力幅及其允许应力幅。
最后，将本文的理论研究成果与常幅疲劳试验数据相结合，并引入“热点应力幅”的概念，建立了螺栓球节点网架结构的疲劳验算方法。
Fatigue of grid structure with bolt-sphere joints mainly behaves fatigue in joints, the critical of which is fatigue of high strength bolt.
Lots of fatigue influencing factors on high strength bolts is analyzed in this paper systematically, including materials, construction processing, fixing and working stress.
The most important reason for fatigue fracture of high strength bolts is stress concentration. Based on ANSYS, this paper studies stress concentration on single notch of eight kinds of high strength bolts used in grid structure, obtaining their stress concentration coefficients, discussing the effect of ascending angle, bottom radius of screw thread and bolt-ball on stress concentration, introducing their effect coefficients of a1,a2,a3, putting forward the formulae of stress concentration coefficient. Based on stress concentration coefficient, fatigue notch coefficient, fatigue limit and range of allowed stress are obtained.
Finally, theoretical results and the fatigue test data of equal
amplitude are combined, which is introduced the conception of
"range of hotspot stress" , and the method of fatigue design
for grid structure with bolt-sphere joints is obtained in this paper.
本文从材料、构造加工、制作安装及工作应力等四个方面系统地分析了高强螺栓的疲劳影响因素及影响程度。
应力集中是高强螺栓发生疲劳断裂最主要的原因。本文以ANSYS有限元软件为研究手段，针对网架螺栓球节点的8种螺栓规格进行单缺口应力集中分析，定量求得相应的应力集中系数K_t；论述了螺纹升角φ、螺纹牙根圆角半径R及球栓直径比D/d对K_t的影响，并引入相应的影响系数α_1、α_2及α_3，最终提出了应力集中系数K的计算公式。在K研究工作的基础上，求得相应的疲劳缺口系数K_f，进而推定高强螺栓的疲劳极限应力幅及其允许应力幅。
最后，将本文的理论研究成果与常幅疲劳试验数据相结合，并引入“热点应力幅”的概念，建立了螺栓球节点网架结构的疲劳验算方法。
Fatigue of grid structure with bolt-sphere joints mainly behaves fatigue in joints, the critical of which is fatigue of high strength bolt.
Lots of fatigue influencing factors on high strength bolts is analyzed in this paper systematically, including materials, construction processing, fixing and working stress.
The most important reason for fatigue fracture of high strength bolts is stress concentration. Based on ANSYS, this paper studies stress concentration on single notch of eight kinds of high strength bolts used in grid structure, obtaining their stress concentration coefficients, discussing the effect of ascending angle, bottom radius of screw thread and bolt-ball on stress concentration, introducing their effect coefficients of a1,a2,a3, putting forward the formulae of stress concentration coefficient. Based on stress concentration coefficient, fatigue notch coefficient, fatigue limit and range of allowed stress are obtained.
Finally, theoretical results and the fatigue test data of equal
amplitude are combined, which is introduced the conception of
"range of hotspot stress" , and the method of fatigue design
for grid structure with bolt-sphere joints is obtained in this paper.
引文
[1]雷宏刚．网架焊接空心球节点静力及疲劳性能研究．建筑结构学报，1993，(1)
[2]雷宏刚．螺栓球节点网架常幅疲劳试验数据再分析．钢结构工程研究，2000，10
[3]网架结构设计与施工规程(JGJ 7—91)．中华人民共和国建设部，1991，9
[4]裴艳．网架螺栓球节点的应力集中分析及疲劳寿命估算(硕士学位论文．太原理工大学2002，5
[5]约翰．H．比克福德．螺纹紧固件的疲劳破坏．日本螺丝协会志
[6]西天正孝(日)．应力集中．机械工业出版社，1986，12
[7]潘文．网架螺栓球节点椎头式杆件疲劳性能的试验研究．云南工业大学学报，1998，1
[8]徐灏，疲劳强度，高等教育出版社，1988，8
[9]郦明，奥脱·布克斯鲍姆，哈茨·罗华克，结构抗疲劳设计，机械工业出版社，1987，9
[10]曾春华，奇妙的疲劳现象，科学出版社，1986
[11]J．A．格兰汉，J．F．米兰，F．J．爱普尔，美国汽车工程师学会钢铁技术委员会第四组疲劳设计分委员会，零件疲劳设计手册，人民交通出版社
[12]林吉忠等，金属的缺陷、载荷与疲劳，中国铁道出版社，1993
[13]刘声扬，钢结构，中国建筑工业出版社，1997，6
[14]夏开全，姚卫星，疲劳缺口系数评述，南京航空航天大学学报，第
26卷第5期，1994年10月
[15] 夏开全，姚卫星，关于疲劳缺口系数，机械强度，第16卷第4期，1994年12月
[16] Neuber H. Theory of stress concentration for shear strained pricmatical bodies with arbitory nonlinear stress-strain law. Journal of Applied Mechanics . ASME, 1961,544-550
[17] Frost N E, Marsh K J, Pook L P. Metal fatigue. Oxford University Press, 1974
[18] PetersonRE. Notch sensitivity. Metal Fatigue ,McGraw-Hill Book Co, 1959,293-306
[19] Heywood R B. Stress concentration factor relating theoretical and practical factors in fatigue loading. Engineering, 1955,179,146-148
[20] Heywood R B. Designing against fatigue. London Chapman & Hall, 1962
[21] Bush A. Fatigue strength calculation. Trans Tech Publications, Switzerland, 1988
[22] Siebel E, Stieler M. Non-uniform stress distribution in vibrating load. VDI-Z (in German),1955,97 (2),121-126
[23] 平安，王德俊．计算疲劳缺口系数的新方法．第五届全国疲劳学术会议论文集．威海，1991，354-357
[24] 赵少汴，王忠保．疲劳设计．机械工业出版社，1992
[25] 聂宏，吴富民．一种变K_f-Neuber法疲劳裂纹形成寿命计算．航空学报，1988，9(9)，424-429
[26]Yu M T, DuQuesnay D L, Topper T H. Notch fatigue behaviour of SAE1045 steel. Int J Fatigue, 1988,10 (2) ,109-116
[27]Ting Tason C, Lawrence Frederick V Jr, A crack closure model for predictingthe threshold stresses of notch. Fatigue Fract Engng Mater Struct. 1993,16 (1) ,93-114
[28]朱锡雄等，缺口疲劳系数K_f的断裂力学分析．第五届全国疲劳学术会议论文集．1991
[29]Sheppard S D. Field effects in fatigue crack initiation:long life fatigue strength. Failure Prevention and Reliability-89, ASME,NY, 1989,119-127
[30]Yao weixing. Stress field intensity for predicting fatigue life. International Journal of Fatigue, 1993,15 (3),243-245
[31]姚卫星，顾怡．论疲劳缺口减缩系数K_f．第六届全国疲劳学术会议论文集，1993
[32]航空工业部科学委员会．应力集中系数手册．高等教育出版社，1990年6月
[33]中国机械工业标准汇编，紧固件产品卷．中国标准出版社．1998年2月
[34]付殿德，于秀芹．几种标准螺纹的牙底形状分析．机械设计与制造，1989，4
[35]J．W．费雪，J．H．A斯特鲁克(美)．螺栓和铆钉连接设计准则指南．人民交通出版社，1983，9
[36]山本晃(日)．螺纹联接的理论与计算．上海科学技术文献出版社，1982，12
[37]卜炎，螺纹联接设计与计算，高等教育出版社，1995，7
[38]赵少汴，王忠保，抗疲劳设计—方法与数据，机械工业出版社，1997，3
[39]陈传尧，高大兴，疲劳断裂基础．华中理工大学出版社，1991，7
[40]程育仁，缪龙秀，候炳麟，疲劳强度，中国铁道出版社，1990
[41]林吉忠等，金属的缺陷、载荷与疲劳，中国铁道出版社，1993
[42]日本钢构造协会接合小委员会，高强度螺栓接合，中国铁道出版社，1984
[43]赵少汴，王忠保，疲劳设计，机械工业出版社，1992，5
[44]胡贵琼，张希良，穆金禄等编译．偏心载荷对螺纹根部应力分布的影响．国外桥梁，1997，1
[45]铃木秀人，植木忠司(日)．发动机用高强螺栓的硬度对疲劳极限的影响．国外内燃机车，1993年4期(总274期)
[46]R．E彼德逊(美)，设计中的应力集中系数．中国工业出版社，1965，5
[47]R．E彼德逊(美)．应力集中系数．国防工业出版社，1988，4
[48]雷宏刚，刘丽君等；螺栓球节点网架中高强螺栓的疲劳影响因素分析．钢结构增刊，2002，11
[49]黄洪钟．高强度螺栓的疲劳断裂分析．机械设计与制造，1992，4
[50]王云杰．螺栓的疲劳破坏．机械设计与制造，1992，1
[51]郭平辉．高强度螺栓疲劳强度可靠性设计，机械设计。1990，6
[52]滕启．提高螺纹联接强度的研究．机械设计与制造，1993，1
[53]ANSYS有限元实例分析教程．机械工业出版社，2002，4
[54]陈豫霖．螺纹的应力集中及改善方法．机械设计与制造
[55]李开世．螺栓联接的当量可靠度及可靠性设计．机械设计与制造
[56]王心言．螺纹的疲劳与延寿命．机械制造，1985，1
[57]Xinlin Zhang. On some basic problems of fatigue research in engineering. International Journal of Fatigue 23 (2001) 751～766
[2]雷宏刚．螺栓球节点网架常幅疲劳试验数据再分析．钢结构工程研究，2000，10
[3]网架结构设计与施工规程(JGJ 7—91)．中华人民共和国建设部，1991，9
[4]裴艳．网架螺栓球节点的应力集中分析及疲劳寿命估算(硕士学位论文．太原理工大学2002，5
[5]约翰．H．比克福德．螺纹紧固件的疲劳破坏．日本螺丝协会志
[6]西天正孝(日)．应力集中．机械工业出版社，1986，12
[7]潘文．网架螺栓球节点椎头式杆件疲劳性能的试验研究．云南工业大学学报，1998，1
[8]徐灏，疲劳强度，高等教育出版社，1988，8
[9]郦明，奥脱·布克斯鲍姆，哈茨·罗华克，结构抗疲劳设计，机械工业出版社，1987，9
[10]曾春华，奇妙的疲劳现象，科学出版社，1986
[11]J．A．格兰汉，J．F．米兰，F．J．爱普尔，美国汽车工程师学会钢铁技术委员会第四组疲劳设计分委员会，零件疲劳设计手册，人民交通出版社
[12]林吉忠等，金属的缺陷、载荷与疲劳，中国铁道出版社，1993
[13]刘声扬，钢结构，中国建筑工业出版社，1997，6
[14]夏开全，姚卫星，疲劳缺口系数评述，南京航空航天大学学报，第
26卷第5期，1994年10月
[15] 夏开全，姚卫星，关于疲劳缺口系数，机械强度，第16卷第4期，1994年12月
[16] Neuber H. Theory of stress concentration for shear strained pricmatical bodies with arbitory nonlinear stress-strain law. Journal of Applied Mechanics . ASME, 1961,544-550
[17] Frost N E, Marsh K J, Pook L P. Metal fatigue. Oxford University Press, 1974
[18] PetersonRE. Notch sensitivity. Metal Fatigue ,McGraw-Hill Book Co, 1959,293-306
[19] Heywood R B. Stress concentration factor relating theoretical and practical factors in fatigue loading. Engineering, 1955,179,146-148
[20] Heywood R B. Designing against fatigue. London Chapman & Hall, 1962
[21] Bush A. Fatigue strength calculation. Trans Tech Publications, Switzerland, 1988
[22] Siebel E, Stieler M. Non-uniform stress distribution in vibrating load. VDI-Z (in German),1955,97 (2),121-126
[23] 平安，王德俊．计算疲劳缺口系数的新方法．第五届全国疲劳学术会议论文集．威海，1991，354-357
[24] 赵少汴，王忠保．疲劳设计．机械工业出版社，1992
[25] 聂宏，吴富民．一种变K_f-Neuber法疲劳裂纹形成寿命计算．航空学报，1988，9(9)，424-429
[26]Yu M T, DuQuesnay D L, Topper T H. Notch fatigue behaviour of SAE1045 steel. Int J Fatigue, 1988,10 (2) ,109-116
[27]Ting Tason C, Lawrence Frederick V Jr, A crack closure model for predictingthe threshold stresses of notch. Fatigue Fract Engng Mater Struct. 1993,16 (1) ,93-114
[28]朱锡雄等，缺口疲劳系数K_f的断裂力学分析．第五届全国疲劳学术会议论文集．1991
[29]Sheppard S D. Field effects in fatigue crack initiation:long life fatigue strength. Failure Prevention and Reliability-89, ASME,NY, 1989,119-127
[30]Yao weixing. Stress field intensity for predicting fatigue life. International Journal of Fatigue, 1993,15 (3),243-245
[31]姚卫星，顾怡．论疲劳缺口减缩系数K_f．第六届全国疲劳学术会议论文集，1993
[32]航空工业部科学委员会．应力集中系数手册．高等教育出版社，1990年6月
[33]中国机械工业标准汇编，紧固件产品卷．中国标准出版社．1998年2月
[34]付殿德，于秀芹．几种标准螺纹的牙底形状分析．机械设计与制造，1989，4
[35]J．W．费雪，J．H．A斯特鲁克(美)．螺栓和铆钉连接设计准则指南．人民交通出版社，1983，9
[36]山本晃(日)．螺纹联接的理论与计算．上海科学技术文献出版社，1982，12
[37]卜炎，螺纹联接设计与计算，高等教育出版社，1995，7
[38]赵少汴，王忠保，抗疲劳设计—方法与数据，机械工业出版社，1997，3
[39]陈传尧，高大兴，疲劳断裂基础．华中理工大学出版社，1991，7
[40]程育仁，缪龙秀，候炳麟，疲劳强度，中国铁道出版社，1990
[41]林吉忠等，金属的缺陷、载荷与疲劳，中国铁道出版社，1993
[42]日本钢构造协会接合小委员会，高强度螺栓接合，中国铁道出版社，1984
[43]赵少汴，王忠保，疲劳设计，机械工业出版社，1992，5
[44]胡贵琼，张希良，穆金禄等编译．偏心载荷对螺纹根部应力分布的影响．国外桥梁，1997，1
[45]铃木秀人，植木忠司(日)．发动机用高强螺栓的硬度对疲劳极限的影响．国外内燃机车，1993年4期(总274期)
[46]R．E彼德逊(美)，设计中的应力集中系数．中国工业出版社，1965，5
[47]R．E彼德逊(美)．应力集中系数．国防工业出版社，1988，4
[48]雷宏刚，刘丽君等；螺栓球节点网架中高强螺栓的疲劳影响因素分析．钢结构增刊，2002，11
[49]黄洪钟．高强度螺栓的疲劳断裂分析．机械设计与制造，1992，4
[50]王云杰．螺栓的疲劳破坏．机械设计与制造，1992，1
[51]郭平辉．高强度螺栓疲劳强度可靠性设计，机械设计。1990，6
[52]滕启．提高螺纹联接强度的研究．机械设计与制造，1993，1
[53]ANSYS有限元实例分析教程．机械工业出版社，2002，4
[54]陈豫霖．螺纹的应力集中及改善方法．机械设计与制造
[55]李开世．螺栓联接的当量可靠度及可靠性设计．机械设计与制造
[56]王心言．螺纹的疲劳与延寿命．机械制造，1985，1
[57]Xinlin Zhang. On some basic problems of fatigue research in engineering. International Journal of Fatigue 23 (2001) 751～766