【文章內(nèi)容簡介】 實驗臺的缺陷，才真正上 實現(xiàn)“多功能”。 國內(nèi)同類實驗臺 —— 虛擬螺栓組實驗臺簡 介 實驗內(nèi)容和功能 虛擬螺栓組實驗臺是根據(jù)物理實驗臺的基本原理開發(fā)的，因此，必須滿足實驗內(nèi)容一致性，即虛擬實驗臺與實際實驗臺的內(nèi)容一致性。實際實驗臺的內(nèi)容是當螺栓組布局和承受的載荷發(fā)生變化時，確定出最大螺栓的受力，并分析其受力，變形及被連接件的受力 —— 變形協(xié)調(diào)關(guān)系。繪制其受力變形線圖。實驗的內(nèi)容和功能是相輔相成的，根據(jù)內(nèi)容的要求，實驗臺應具有如下的功能單元： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 2 （ 1） 螺栓組布置單元：組成不同布置形式的螺栓組，并可方便地改變和更換螺栓組中螺 栓的材料、直徑、及尺寸等參數(shù)； ECAC DBDFAB EF E F EDA JB IC HD GA HB GC F 圖 虛擬螺栓組實驗臺螺栓的布置形式 （ 2） 加載單元：對螺栓組施加軸向拉伸、橫向剪切、扭轉(zhuǎn)力矩、傾覆力矩等單一載荷形勢，或以上各種載荷形式共同作用的聯(lián)合載荷。 具體加載實現(xiàn)的過程如下圖 ： 手柄轉(zhuǎn)動絲杠平行移動，從而改變加載為止，此時可以單獨施加的載荷有：軸向拉伸（ A）、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 3 橫向剪切（ B）、傾覆力矩（ C）。左側(cè)液壓缸帶動加載頭左右移動，實現(xiàn)扭矩載荷 的施加（ D）。這樣實現(xiàn)了四種基本載荷的施加。 圖 載荷的施加加載實現(xiàn)的過程 （ 3）實驗結(jié)果處理單元：在以上兩項單元內(nèi)容確定的情況下，得出螺栓組中個螺栓的受力，進而確定受力最大的螺栓及其所受的力，并按螺栓和被連接件的受力、變形協(xié)調(diào)關(guān)系繪制其受力 —— 變形線圖。 計算機在實驗臺中的應用 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人類進入了信息時代。計算機輔助，它可代替了傳統(tǒng)的教學模式。就拿傳統(tǒng)的實驗來說，是一個比較限制的事情，老師先給同學講實驗的內(nèi)容、 目的、原理、步驟等，與實驗完全脫離。多功能螺栓組虛擬實驗臺可以說是在計算機上實現(xiàn)的裝置。它以計算機為操作平臺，各種參數(shù)的選擇，受力計算，圖形的繪制，動畫演示等一系列試驗中所涉及到的操作都通過計算機進行。學生只需對各種參數(shù)進行設置，并點擊相應的按鈕，就能完成該實驗，并且借助于各種圖形和動畫演示能讓學生對所學知識的理解和認識進一步加深。將計算機引入到實驗課中，通過計算機將新的數(shù)據(jù)分析方法和圖形與實際操作結(jié)合起內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 4 來，更有利于學生的分析思維，同時學生也學到和掌握了計算機技術(shù)。 虛擬實驗臺的設計簡介 虛擬多功 能螺栓組實驗臺是在實物實驗臺的基礎(chǔ)上運用高級編程技術(shù)，它是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的高級程序設計語言，實現(xiàn)多功能螺栓組實驗功能的計算機虛擬，且借助于 3維獲得動畫效果，從而達到實用的目的。所以在完成實物實驗臺原有功能的基礎(chǔ)上，利用計算機處理信息量大、運算速度快、參數(shù)可變等優(yōu)點和的三維動畫，實現(xiàn)虛擬逼真的多功能實驗臺。 進入系統(tǒng)后首先選擇螺栓組基本參數(shù)，如螺栓組個數(shù)的選擇和個數(shù)所對應的分布形式等，實驗者可通過下拉框隨意選擇所需的分布組合，由于采用了虛擬技術(shù)，可方便的實現(xiàn)若干個螺栓任意組合為各種布 置形式。對于其他參數(shù)的選擇和確定，實驗者只需根據(jù)需要點擊相應的按鈕，如選擇輸入螺栓的材料、性能等級、螺栓直徑和聯(lián)接的防滑系數(shù)、摩擦系數(shù)等。這樣在許多方面都增加了實驗的靈活性。完成螺栓的參數(shù)配置后，確定螺栓組所受的載荷形式，按螺栓組可能的承受的各種載荷形式，排列出幾種最為常見的承載形式，即由單一的載荷，也有復合載荷。實驗者根據(jù)需要選擇相應的載荷形式，并且輸入對應載荷的大小，即完成載荷的施加過程，如需改變以上數(shù)據(jù)，只需重復以上工作即可。最后計算機自動生成螺栓組的變形受力圖。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 5 第二章 螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu) 設計及受力分析 設計螺栓組實驗臺，必須要了解掌握螺紋聯(lián)接的物理性能，明確螺栓組實驗臺設計目的。只有這樣，我們才能夠做到在實驗中處理好所面對的各種問題。該解決什么問題，并且根據(jù)生產(chǎn)生活中的一些特殊要求，作針對性地改進，爭取做到螺栓組實驗臺的優(yōu)化設計。 本部分詳細介紹了實驗臺的結(jié)構(gòu)，功能的具體實現(xiàn)等。具體內(nèi)容如下：螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設計及受力分析；螺栓組加載框的結(jié)構(gòu)設計；螺栓組實驗臺的液壓加載系統(tǒng) 。 其中尤以螺栓組聯(lián)接的受力分析和螺栓組結(jié)構(gòu)設計，以及其加載系統(tǒng)最為重要。 螺栓組聯(lián)接的 結(jié)構(gòu)設計及受力分析 大多數(shù)機器的螺紋聯(lián)接件都是成組使用的，其中以螺栓組聯(lián)接最具有典型性，它們與被連接件構(gòu)成螺栓組聯(lián)接。下面介紹的是螺栓組聯(lián)接的設計和計算。 本次設計的螺栓組聯(lián)接的設計過程主要包括兩個部分： （ 1）結(jié)構(gòu)設計 —— 選定螺栓組的數(shù)目和布置形式 。 （ 2）受力分析 —— 按連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓及其 所受的力，畫出它的力 變形線圖。 螺栓組聯(lián)接形式 螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設計的主要目的在于合理的確定連接幾何面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求個螺栓和連接接合面的受力均勻， 便于加工和裝配。為此，設計時應綜合考慮以下幾方面的問題： 接合面的幾何形狀通常都設計成軸對稱的簡單幾何形狀。如圓形、環(huán)形、矩形、框形、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 6 三角形等，這樣不但便于加工制造，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱中心和連接接合面的心重合，從而保證連接接合受力比較均勻。 螺栓的布置使各螺栓的受力合理 ，當然螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時，應使螺栓的位置適當靠近連接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力。 螺栓的排列應有合理的間距、邊距。布置螺栓時。各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機體壁間的最小距離，應根據(jù)扳手所需要活動空間的大小來決 定。 （ 1）分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目應取成 12 等易于分度的數(shù)目，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。同一螺栓組中螺栓材料、直徑和長度均應相同。 （ 2） 螺栓與螺母的底面應該平整，并與螺栓的軸線相垂直，以免引起偏心載荷。為此，可將被聯(lián)接件上的支撐面設計成凸臺或沉頭座。當支撐面為傾斜時，可采用斜面墊圈等。 綜合考慮以上幾個方面，確定出本螺栓組實驗臺的布置形式主要做成以下形式，如圖 所示： 圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 . 單個螺 栓連接的強度計算 . 松螺栓聯(lián)接的強度計算 對于松螺栓聯(lián)接強度計算，在裝配時，螺母不需要擰緊。在承受工作載荷之前，螺栓不受力。也就是說這種聯(lián)接只能承受靜載荷。螺栓在工作時才受拉力 F，例如圖 6 所示的起升滑輪螺栓，其螺紋部分的強度條件為： ? ?? ?244FdFd???????? 式中： d—— 螺栓危險截面的直徑， mm； [σ ]—— d 螺栓材料的需用拉應力。 僅承受預緊力的緊螺栓聯(lián)接 在擰緊力矩的作用下，螺栓除受預緊 力 F 的拉伸而產(chǎn)生拉應力外，還受螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應力。使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復合應力狀態(tài)下。因此，進行僅受預緊力的緊螺栓強度計算時，應綜合考慮拉伸應力和扭轉(zhuǎn)應力的作用。 螺栓危險截面的拉伸應力為： ? =214F39。d? 螺栓危險截面的扭轉(zhuǎn)應力為： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 2131 439。21162d)t g (F39。dFdtgtgtgtgd vvv????????? ? ???? 由于螺栓材料是塑性的，故可根據(jù)第四強度理論，求出螺栓預緊狀態(tài)下的計算公式為： 2 2 2 23 3 ( 0 .5 ) 1 .3ca? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? 螺栓危險截面的拉伸強度條件根據(jù)上式為： ? ?39。214caFd????? 式中： F‘ —— 螺栓所受預緊力， N； 其余符號意義同前。 下面圖 就是一個僅受預緊力的緊螺栓 聯(lián)接示意圖： F R /2F R /2FF EF僅受預緊力的螺栓連接 圖 僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接 受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接 這種受力形式的緊螺栓聯(lián)接較為常見。安裝時擰緊螺栓，使螺栓受預緊力 F‘ 。根據(jù)第內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 四理論分析，螺栓的總拉力 F0除與預緊 F‘ 、工作拉力 F有關(guān)外，還受到螺栓剛度 Ca和被聯(lián)接件剛度 Cm等因素的影響。連接受載后，由于預緊力的變化，螺栓的總拉力 F0并不等于預緊力 F‘ 與工作拉力 F0之和，而等于殘余預緊力 F‘‘ 與工作拉力 F之和，受力與變形關(guān)系如圖 所示： 由圖中幾 何關(guān)系可推出： 39。 39。39。39。39。 39。39。 39。39。0ta nta nbbbmmmFCFCF F FF F FF F F F F????????? ? ?? ? ?? ? ? ? ? Cb、 Cm分別表示螺栓和被聯(lián)接件的剛度，且為定值。 θmθbF39。 F0F39。39。FΔ δδ 2δ 1Δ F變形力 圖 螺栓的受力與變形 下面是按靜載荷和變載荷兩種其情況討論的強度計算： (1) 受軸向靜載荷螺栓聯(lián)接的強度計算： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 設計時，先根據(jù)聯(lián)接的受載情況，求出螺栓的工作拉力 F，再根據(jù)工作要求選擇剩余預緊力 F’的值，然后計算總拉力 F0。求得 F0后，即可進行單個螺栓的強度計算?？紤]到連接在工作載荷 F作用下可能要進行補充擰 緊，故將總拉力增加 30%, 以考慮擰緊時螺紋力矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應力的影響?？傻贸雎菟ǖ奈ｋU截面的拉伸強度條件為： 214caFd? ?? 或： ? ?1 4 ???? 式中：各符號的意義同前。 （ 2） 受軸向變載荷螺栓聯(lián)接的強度計算 對于受軸向變載荷的重要連接（如汽缸反復進氣排氣），其螺栓所受工作載荷如下圖所示在之 0~F 間變化，因而螺栓所受的總拉力在 F‘ ~F 之間變化。設計時，一般按靜載荷確定其直徑 ，然后校核其強度。 影響疲勞強度 的主要因素 是應力幅。 因此螺栓 疲勞強度的 校核公式 為： ? ?11 2 12 21 1 2 112 24aaC FC C C Fd C C d??? ??? ? ?? 式中： [σ a]—— 螺栓的許用應力幅， MPa. 受剪的鉸制孔用螺栓聯(lián)接 這種聯(lián)接是利用鉸制孔用螺栓來承受工作載荷 F。螺栓桿和孔壁之間無間隙，其接觸表面受擠壓；在連接接合面處，螺栓桿受剪切如圖 。因此，應分別按擠壓和剪切強度條件進行計算。 計算時，架設螺栓孔與孔壁表面上的壓力分布是均勻的。由于這種聯(lián)接所受的預緊力很小， 所以在計算時，可以不考慮預緊力和螺紋力的影響 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為： ppFdh???????? F RF R /2F R /2F SF S受剪的鉸制孔用螺栓連接圖 圖 螺栓桿的剪切強度條件為： ][42 ??? ?? dF 式中： F —— 螺栓所受的工作剪力 , N； d —— 螺栓剪切面的直徑 , mm； h —— 螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度 , mm； [σ p]—— 螺栓桿與孔壁擠壓面的許用擠壓應力， MPa； [τ ] —— 螺栓材料的許用切應力， MPa； 螺栓組受單一載荷的受力分析 進行螺栓組的受力分析的目的是：根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載荷情況，求出受力最大的螺栓及其所受得力，以便進行螺栓聯(lián)接的強度計算。分析時，通常作一下假設： ① 被聯(lián)接件為剛體，受載后連接接合面仍保持平面； ② 螺栓組中各螺栓的拉伸強剛度或剪 切剛度（即螺栓的各材料、直徑、長度）和預內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 12 緊力大小相同； ③ 螺栓工作在彈性范圍內(nèi)； 而且，螺栓組的對成中心與連接接合面的形心重合；承載后結(jié)合面仍保持為平面。下面正對典型的受載荷情況分別加以討論。 受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 安裝時，螺栓受到擰緊力 F’ ，工作時螺栓組成受軸向載荷。假設各螺栓受載均勻，每個螺栓所受軸向工作載荷為： QFF Z? 每個螺栓所承受總拉力為：