螺栓预紧力对结构性能的影响分析

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一、前言

螺栓是最常用的机械零件，螺栓连接作为一种可拆卸式的连接方式，具有更换方便、通用性强、经济性好等特点，因此广泛应用于汽车及各种机械设备中联结间厚度不大的场合。螺栓联接是通过施加预紧力的方式将不同的零部件联接在一起，应力长时间作用下金属材料会发生蠕变及应力松弛等现象，使得螺栓紧固力下降，联接性能变差，直接关系到汽车的安全性能，因此需要对螺栓应力松弛进行分析。

一般而言，对于各种机械式连接件，在工作过程中，应力集中和疲劳多数发生在连接部位，即螺栓附近，这对螺栓的寿命和连接精度有着重大的影响。由于螺栓连接中，连接件和被连接件相互之间的作用力比较复杂，因此，在有限元分析中，需要有针对性的简化。在螺栓连接中，螺栓预紧力和相互间接触是比较重要的两个特点，它们对结构的静态特性和动态特性的影响非常大。

螺栓轴向力与力矩的关系，一般来说。拧紧力矩是通过拧紧扳手来施加的，而拧紧扳手力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩Tl及螺母和与被连接件(或垫圈)支承面间的端面摩擦力矩T2。

K的取值较为复杂，很难得到其准确值，通常需要通过相关试验进行修正。对于普通粗牙M12-M64螺纹，其拧紧力矩系数K一般在0.1-0.3范围内变动。

国内很多学者对力矩系数的影响因素进行了一定研究，相关试验计算表明，螺栓公称直径不同，对扭矩系数变化影响很小，扭矩系数主要与摩擦系数有关。一般在有充分润滑作用条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.08 – 0.12之间。而在无润滑条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.1 – 0.25之间。类似的计算结果表明，公称直径，螺纹的粗细对螺母系数K的影响很小，而摩擦系数的变化，对螺母系数K的影响则很大。摩擦系数的正常变化范围可能导致螺母系数产生+30%的变化。

螺栓扭矩与螺栓载荷换算，依据经验公式：M＝F*D*K（M为螺栓扭矩，F为螺栓载荷，D为螺栓公称直径，K为系数，一般为0.1-0.3，常取0.16，需根据实际进行相应调整）。