基于螺纹连接结构工作载荷的螺母优化设计,该文是关于优化设计方面学年毕业论文范文与螺母优化设计和载荷和螺纹类学年毕业论文范文.
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摘 要：针对螺母设计选用相关标准及Alexander理论存在的设计冗余问题,本文通过获取螺纹连接结构的实际工作载荷,综合考虑螺栓和螺母的工作载荷、抗拉强度、结构尺寸、强度比、螺母扩张、螺纹弯曲影响等因素,实现螺母的优化设计,为结构和成本的降低提供理论依据和验证方法.
关键词：螺纹连接结构；载荷；螺母设计
1引言
目前,在螺纹连接结构的设计中,螺母通常是按照相关标准(如GB-T6177.1-2016)直接选用.为防止内螺纹拉脱失效,有相关标准如德国工程师的设计手册VDI2230_2003,具体阐述了基于Alexander理论的螺纹啮合长度的计算方法,Alexander理论的适用性已经通过使用楼梯法的试验和考虑螺母扩张、螺纹弯曲的有限元分析验证.但是,此计算原理是基于螺栓和螺母连接副的最大承载能力进行计算的,而很多情况下,实际结构的工作载荷并未达到连接副的最大承载能力,这将导致螺母的设计冗余.如果能够根据实际的工作载荷对螺母的啮合长度进行精确计算,将有利于结构重量和成本的降低.本文通过获取螺纹连接结构的实际工作载荷,根据Alexander理论,综合考虑螺栓和螺母的工作载荷,抗拉强度、结构尺寸、强度比、螺母扩张、螺纹弯曲影响等因素,实现螺母的优化设计.
2基于工作载荷的螺栓规格选取
以某车型悬架摆臂与轴连接结构为例（如图1所示）,利用ADAMS仿真软件进行整车在不同工况下的动力学分析,得到悬架摆臂与轴连接处螺栓／螺母位置在不同工况下螺栓随时间的受力情况.其中,图2和图3分别为向前紧急制动和转弯制动工况下的连接螺栓／螺母受力情况.
悬臂前点所有仿真结果如表1所示,为保证螺纹连接可靠性,在计算预紧力时,选取螺栓／螺母受力最大工况下的值进行计算.
由表1,取最大工况受力7654N为计算值,按不滑移条件确定螺栓的预紧力为13571N,通过计算螺栓直径,最终选用螺栓规格型号为M8×1.25-8.8.
3基于Alexander理论的螺母设计方法
图4概括了亚历山大理论,对特定的螺栓和螺母连接副,其脱扣载荷Fs等于 min与啮合螺纹的承剪面积,即螺母有效高度maff、啮合螺纹数量呈线性关系,而与螺栓断裂载荷FBb无关.因此,可以通过选取螺母高度来控制螺栓和螺母连接副的失效形式.
当脱扣载荷等于螺栓断裂载荷时,螺母高度定义为螺母的临界高度m,c螺母最小高度的确定需考虑到每种失效形式发生的可能性.
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考虑螺栓和螺母的工作载荷、抗拉强度、结构尺寸、强度比、螺母扩张、螺纹弯曲影响等因素,计算螺母最小高度的步骤如下：
步骤1：对于规定了规格和强度等级的螺栓搭配的螺母,选择螺母材料,确定最小抗拉强度；
以上计算原理是基于螺栓和螺母连接副的最大承载能力进行计算的,而很多情况下,实际结构的工作载荷并未达到连接副的最大承载能力,这将导致螺母的设计冗余.若根据实际的工作载荷对螺母的高度进行计算,即根据工作载荷计算、选用螺栓规格,在以此确定螺母规格（螺母高度待求）,并将工作载荷（螺栓／螺母承受的拉力）代替以上计算步骤中的螺栓断裂载荷FBb,可计算出满足工作载荷需求的螺母高度.
4案例应用
依然以某车型悬架摆臂与轴连接结构为例,通过受力分析、计算,最终选用螺栓规格型号为M8×1.25-8.8.在此基础上分别以螺栓最大承受载荷、螺栓实际工作载荷计算规定螺母尺寸和强度等级的最小高度,并与标准GB-T6177.1-2016推荐的螺母高度进行对比,三种结果如表2所示.
由表1可知,基于Alexander理论和基于工作载荷所计算的螺母高度均小于国家标准GB/T6177.1-2016的推荐值,分别降低了10. 34%和27.62%.
5试验验证
为证实上述方案的有效性,通过模拟装配试验来验证基于工作载荷设计的螺母在脱扣失效时对应的最大预紧力,所记录的转角一扭矩一预紧力曲线如图5所示,4个样本发生脱扣失效时对应的预紧力均大于13571N,满足工作载荷的需求,试验结果验证了理论分析的正确性.
6结语
根据相关标准直接选用和基于螺纹连接结构的最大承载能力所计算的螺母规格存在设计冗余,而根据工作载荷所设计的螺母规格既可以满足设计需求,又能够降低结构重量和成本,研究结果为螺纹连接结构的优化设计提供了理论依据和验证方法,具有较大的工程应用价值.
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