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与材料非线性有限元分析的结果完全相符,因此可用线性有限元分析计算紧固件在弹性阶段的应力状态。
根据有限元分析可以得到紧固件在受拉、受压、受剪、拉剪和压剪情况下的应力状态。
1)紧固件受拉时,上垫板的下表面受压,在上垫板和螺杆(或内轴)连接处会产生应力集中;
2)紧固件受压时,在下垫板和螺杆(或内轴)之间会产生应力集中;
3)当紧固件受剪时,在螺杆的端部出现最大应力;
4)在拉剪和压剪综合作用情况下,垫板和螺杆(或内轴)连接处以及螺杆端部都可能出现最大vonMises应力,因此当紧固件受拉剪和压剪时,是垫板与螺杆(或内轴)连接处和螺杆端部同时起应力控制作用。根据线性有限元分析可以算得紧固件在受拉和受压情况下的应力集中系数γ(应力集中处应力/螺杆端部应力),见表2。
根据以上分析,可以得到各种紧固件在拉剪和压剪情况下承载力计算的统一公式。等连接件的材料采用合金钢1Cr18Ni9。根据我们的材质试验研究结果,这种材料在进行单向拉伸试验时没有明显的屈服平台,因此取塑性应变为0·2%时的应力值作为其屈服强度。
2 紧固件承载力的简化设计方法
2·1 紧固件承载力的设计公式
根据紧固件的试验和非线性有限元分析结果可知,考虑材料非线性的有限元分析能够模拟试件加载的全过程[3]。由于在弹性阶段,线性有限元分析式中,Ae为螺杆的有效截面积;We为螺杆的有效弹性抵抗矩;γ为应力集中系数;hc为剪力作用点到螺杆端部的距离,见图2;σy为紧固件材料的屈服强度。式(1)、式(2)中的第一式表明紧固件受拉和受压时的集中应力应不超过材料屈服强度;第二式表明在承受拉、剪共同作用或压、剪共同作用时,紧固件螺杆端部的最大正应力应不超过材料的屈服强度。通过式(1)、式(2)可以算得各紧固件在受拉和受压情况下屈服时的拉力和压力,并与理论和有限元结果[2]做一比较(表3)。由于两公式采用了材料强度设计值,所以算得的承载力设计值比有限元分析结果要小,但仍然大于典型四边双层玻璃板各支承点所承受的实际荷载(此工程中为1·8kN)。
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