不同规格高强度螺栓连接副扭矩系数测量与数据分析比较大学学位论文.docx
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不同规格高强度螺栓连接副扭矩系数测量与数据分析比较大学学位论文
学校代码：
10128
学号：
201120907023
本科毕业论文
题目：
不同规格高强度螺栓连接副扭矩系数测量与数据分析比较
学生姓名：
学院:
a
专业：
工程力学
班级：
asdasd
指导老师：
asdasdasd
二〇一五年六月
摘要
随着科技的不断的进步，各种新材料的不断发展，钢结构作为现代建筑材料在人们的生活中逐渐扮演了重要的角色。
而高强度螺栓作为钢结构中重要的一部分，自然也在材料中有着必不可少的作用。
本篇论文将重点介绍不同规格的高强度螺栓连接副扭矩系数测量与数据分析比较。
顾名思义，论文将通过大量的过于此方面的实验，以及的实验的分析处理，为读者在高强度螺栓连接副扭矩系数测量提供较详细帮助。
论文首先将介绍常用的不同类型的高强度螺栓，及对高强度螺栓的重要作用﹑未来发展方向国内国外对此方面目前的研究成果都会做介绍，以便于读者对其有一个初步的了解。
其次在对如何测量怎样测量连接副扭矩系数及要用到的设备工具有一个具体的介绍。
接下来在进入实验部分将向大家展示实验的具体过程，注意事项。
最后通过对不同类型的螺栓实验，测量出各个型号的连接副扭矩值，并将得出的数据相比较分析。
总而言之，希望通过本篇论文。
一方面，为以后有关此方面的实验提供可靠的数据。
另一方面，让人们对强度螺栓连接副扭矩系数有充分的了解。
关键词：
高强度螺栓扭矩系数实验数据分析
ABSRTACT
Withthecontinuousprogressofscienceandtechnologywiththecontinuousdevelopmentofnewmaterials,andsteelasabuildingmaterialinpeople'slivesgraduallyplayedanimportantroleinit.Thehigh-strengthbolts,asanimportantpartofsteel,naturalmaterialsalsohaveanessentialrole.Fewprevioustrialsofhigh-strengthboltstorquetomakemeasurements,resultinginarelativelysmallresearchinthisarea.Tofillthegapsinthisregard,thispaperwillfocusonthedifferentspecificationsofhighstrengthboltstorquecoefficientmeasurementanddataanalysisandcomparison.Asthenamesuggests,thepaperwillbetoointhisregardbyalargenumberofexperiments,aswellastheanalysisandprocessingoftheexperiment,toprovidereaderswithmoredetailedhelpinhighstrengthboltstorquecoefficientmeasurements.
Firstly,theintroductionofdifferenttypesofcommonlyusedhighstrengthbolts,andtheimportantroleofhighstrengthbolts,future,thisaspectofthedevelopmentdirectionofdomesticandforeignresearchresultswillpresentabriefintroductiontothereadersbecausetheyhaveapreliminaryunderstanding.InconnectiononhowtomeasurehowtomeasurethetorquecoefficientandVicedevicetooltousetohaveaspecificpresentation.Thenenteringtheexperimentalsectionwillshowyouthespecificcourseoftheexperiment,note.Thefinalstep,thedifferenttypeofboltthroughexperimentstomeasurethetorquevalueofeachconnectionofthesubmodel,andcomparedtotheanalysisofthedataobtained.
Allinall,Ihopethroughthispaper.Ontheonehand,providereliabledatafortheexperimentsonthisaspectlater.Ontheotherhand,allowpeopletostrengthboltingvicetorquecoefficienthaveafullunderstanding.
Keywords:
HighstrengthboltsDeputyconnectionTorquecoefficientDataAnalysisExperimentaltreatment
目录
第一章绪论1
1.1背景和意义1
1.2高强度螺栓的介绍和应用2
1.3不同种类的高强度螺栓连接副4
1.3.1关于大六角头高强度螺栓连接副的紧固的介绍[7]5
1.3.2扭剪型高强度螺栓的紧固原理7
1.3.3高强度螺栓的连接和施工8
1.3.4小结9
第二章实验11
2.1实验操作11
2.1.1实验设备11
2.1.2计算公式13
2.1.3实验过程13
2.2影响扭矩系数的相关因素16
2.2.1影响因素16
2.2.2处理方法18
第三章数据的分析与比较19
3.1数据分析与比较19
3.2有限元与高强度螺栓28
第四章总结与展望31
4.1总结31
4.2展望31
参考文献34
致谢36
第一章绪论
1.1背景和意义
在科技快速发展的今天，人们对物质生活的要求越来越高，在结构建筑方面只有当更高更强更完善的结构材料创作出来，才能满足现代人的需求，拿螺栓来说从古至今对螺栓的发展是很有研究的，世界上第一颗螺栓是在公元1550年出现的，当时是由于需要造船用来连接木质结构而想出类似于钉子的螺栓结构，而到了1797年由伦敦的一位发明家在车床上正式制造出第一颗可实用性螺栓。
从20世纪80年代，中国由于从国外的引进才对钢结构有所了解，在接下来的近20年里，随着建筑用刚的快速发展，高强度螺栓逐渐被使用，
在近几年当建筑行业的发展对螺栓性能要求的不断提高，普通螺栓已经无法满足工程实际中某方面的需要，高强度螺栓问世，在材料上人们将优质的35#刚进行热处理得到,最直观的判断，就是两者在受力特点方面的区别。
高强度的用预紧力与摩擦力来受力，对于高楼大厦等需要永久性连接的地方，高强度螺栓自然当仁不让。
近几年里，随着我们炼钢技术的成熟。
钢结构由于它具有重量轻，受力情况良好而且易于安装拆卸等因素，在厂房、建筑、桥梁、隧道、铁路等各个方面应用广泛，而正由于此，螺栓作为钢结构的一种重要的连接方式，也在市场上涌现但是，在一些大型的桁架、建筑中，普通的螺栓根本无法承受这么大的力所以，新式螺栓即高强度螺栓诞生了，在钢结构设计和应用中，高强度螺栓更是起到至关重要的作用。
那么如何去评定一个高强度螺栓制作的好与坏，标准与否，就必须用到一个参数——扭矩系数K。
也就是说K是作为高强度螺栓质量的主要指标。
在我国国家标准中规定对于高强度螺栓连接副的扭矩系数的供货是按批量保证的。
对于标准偏差之间也有着明确的规定。
在安装和使用之前需要经过严格的审查和复验。
在此背景之上，本篇论文关于测量出不同规格的扭矩系数与数据分析比较就显得意义非凡。
1.2高强度螺栓的介绍和应用
所谓高强度螺栓顾名思义，其强度承载能力较普通螺栓高。
在设计准则方面可以分为两大方面，第一摩擦性型连接，靠的是连接件与连接件之间的摩擦力来传力，也就是说在施工时我们只需要保证剪应力V不大于摩擦力就可以了。
涉及到V就与施加的预紧力相关，摩擦力就要考虑抗滑移系数值的因素。
第二承压型连接，使用强度较高的刚制成。
广泛的应用在建筑、桥梁、桁架等钢结构设计中。
有着安装方便容易拆卸可替换的优点。
但最主要的原因是它可以承受较大的预紧力，这说明它也可以应用在高压与密闭性容器的连接中。
预紧力的计算通常要考虑到螺栓屈服于抗拉强度在根据折算应力系数（我国一般选取系数为1.2）根据材料力学的第四强度理论[1]计算确定准则。
其中偏差因子系数选0.9。
等级为8.8s和10.9s，而普通螺栓只在4到5级上下。
高强度螺栓受力特点预紧力或摩擦力传递外力。
现在来讲高强度螺栓的发展已经进入到一个很深的层次。
下面重点介绍高强度螺栓的几个现代的应用。
第一：
芜湖长江大跨越塔的高强度螺栓[2]连接的应用，在安徽省的芜湖有一座大跨越塔，全长1910m，高229m，由于高度过高，载荷过大，像普通的6.8螺栓根本不能满足要求，必须要用到高强度螺栓，这座大跨越塔，用到了一种特殊的连接方式，被称为法兰盘连接，在一个内径为1000mm的圆盘四周安装上24个10.9级M45高强度螺栓。
第二：
南京长江大桥的高强度螺栓[3]的应用。
在南京长江大桥的上部结构中，有几个连续刚桁架全长1615m，分为128个节点，处理桥面钢板用的是除了焊接外，还有用到高强度螺栓连接，共用去螺栓200多万套，其中分别有用于主桁架的M30螺栓到连接构建的M24螺栓再到U行板的M22型螺栓。
在这样的大型施工中不仅要进行常规的储存、验收、进厂检验、抗滑移系数实验、加工工艺、质量检查、复查等工作，还进行了螺母硬度检查垫片硬度检查，垫片硬度平均在329HV30-436HV30.
第三：
重庆朝天门长江大桥高强度螺栓群[4]，在本座大桥上，由于拼装式节点多，受重庆市温度影响较大，连接板厚度较大等因素，决定使用高强度螺栓群作为连接装置，该桥全长934m分为上下两层，上层宽度为36.9m，下层宽度29m，采用摩擦型高强度螺栓的连接，如下图所示为当时设计的螺栓群的整体排布设计图：
图1-2-1
该大桥主要使用了M24与M30的螺栓，其中M30螺栓共用2×80个，M24共用1×40个，用于测量的轴力传感器60个。
第四：
风力发电机组高强度螺栓连接的应用[5]，近几年来，能源问题备受关注，可持续能源更成为未来能源发展一个重要的方向，而风能作为一种零污染的可持续能源，成为了未来要发展的重要方向，在风力发电的发电机上，就应用到高强度螺栓，我们知道，风力发电机主要包括五个部分分别为叶片，轮毂，主轴，塔筒与机架，但是在风力很强的时候，发电机及设备很容易由于连接强度不足被吹散，例如在08年10月份，在台湾的一架风力发电设备由于台风而发生断裂，是由于底部的螺栓全部开裂而发生的，多年以来全国各地此类事件很多，也就是说高强度螺栓的使用必须成为解决此类问题一个关键。
如下图所示：
很明显螺栓在强风的作用下，发生了全部的断裂。
图1-2-2
目前，在风力发电设备中，有很多应用到高强度螺栓，如上图的法兰式[6]连接，整体的稳定性就取决与底部连接情况，衡量它的强度及疲劳影响是关键。
1.3不同种类的高强度螺栓连接副
为了接下来的实验做铺垫，我们先来了解研究一下不同种类的螺栓。
首先，由于高强度螺栓特有的优势。
它已经成为与焊接同等重要的连接形式。
具有良好的受力性能，及易于均匀受力。
安装方便，易于拆卸与二次利用。
也能保证质量的要求。
高强度螺栓是指性能等级在8.8S以上。
一般分为四个等级分别为，8.8级9.8级10.9级与12.9级，各级别的力学性能有着很大的不同，首先抗拉强度值，8.8级抗拉强度在800到980Mpa，洛氏硬度在22到34之间，9.8级抗拉强度在900-1080Mpa之间，洛氏硬度在28-37HRC之间，10.9级抗拉强度在1040-11802Mpa之间，洛氏硬度在32-39之间，12.9级抗拉强度在1220-1380Mpa之间，洛氏硬度在39-44HRC.如果将高强度螺栓一质量的高低进行划分的话，那么一般将其分为三类。
第一类，当前质量，在锻造之前比较好的钢材，力学性能要求不易变形、开裂容易锻造等等。
第二类称为潜在质量，在能达到上述的基础上，当加入各种合金之后，拥有更好的力学性能。
第三类称为最终质量，要求很高的抗拉强度，抗磨损、韧性、塑形达到要求在表面不容易出现集中力现象，潮湿等各种恶劣的环境下，均能保持良好的性能，比如在极其寒冷的地区施工时，螺栓不出现脆性断裂，在温度变化明显的地区受热脏冷缩影响最小，在水下施工不易腐蚀等等。
其中常用在工程实际中的只有大六角头的和扭剪型的两种。
又可以按照它们的抗拉强度值的大小分为不同的型号。
国内大约有58种，这里不一一说明了。
1.3.1关于大六角头高强度螺栓连接副的紧固的介绍[7]
它的组成包括螺栓螺母各一个，两个垫片。
下面来说它的能量组成。
如果将螺母受到的扭矩作为全部的外力做功即总功之和。
用
来表示。
则下面的公式成立
=
其中
为由于扭矩产生的螺栓轴力即预紧力做的功，
为垫片摩擦产生的功，
为螺栓与螺母摩擦的功。
上述分析可知。
有用功对无用功比值增加。
我们就要尽可能减少无用功所产生的能量。
在生产工厂中怎样的过程控制加工工艺才能最大化的提高有用功的比值是我们研究的关键，也就继而引出我们的宗旨如何确定一个好的紧固原理。
在后面的章节中我们会计算扭矩系数，会涉及到扭矩值M与预紧力F，在后面的实验中我们只提到了施加于螺栓上的M值，丝毫没提到相关到如何求预紧力的值，实际上通过施加的M值大小，就可以求出来F值大小，在测试仪中自动计算出预紧力的大小，自动套用了计算公式。
下面给出一个公式来说明M与F的关系：
T=
﹛
﹜
公式跟涉及到了螺纹的有效直径
表示，螺纹面的摩擦角、螺纹面摩擦系数螺牙的半角、升角、螺母与垫片接触面直径、螺母与垫片之间的摩察系数。
对于同一型号的连接副它们的参数值大多是相同的。
为什么我们要做这样的实验来测量扭矩系数，其意义何在呢，一般来说对于同种类型的螺栓，保存良好会有相同的扭矩系数值，如果是这样，通过施加扭矩我们就可以控制它的预紧力。
而预紧力值的大小也是施工参数的重要组成部分，简单来说我们希望螺栓有着相同的扭矩系数，这样会更容易的控制预紧力，本论文主要目的是扭矩系数值的影响因素。
在螺栓拧紧时，螺栓会受到拉力，被约束的物体会受到压力。
现在预紧力用P表示，k表示螺栓弹簧系数，产生的压缩量δ。
而被约束物体产生的系数为K
压缩为δ
。
于是得到平衡方程
P=K*δ=K
*δ
则螺母的转角可以用δ与δ
表示出来，设转角为θ。
则有θ=
×
螺母转角与轴力的关系：
可以分为三段分析，第一段为第一次拧紧，关系为成上升趋势的抛物线。
第二段为第二次拧紧，关系为上升趋势的一次函数，是拧紧的关键部分。
第三段进入了塑形区域的阶段，在第二与第三阶段的交点处（设为Y点）作为终拧点，所产生的角度为最小转角。
螺栓有两种拧紧方法，一种为扭矩法一种为转角法。
上面介绍的为转角法。
相对于扭矩法，转角法有一定的优势，扭矩法是在弹性阶段快结束时的位置即第一次拧紧为标准，而转角法则是以第二次作为判断标准，因为轴力的变化小了，使得转角法受扭矩系数的影响更小，但是转角法也有一定的缺陷，因为它毕竟是在塑性区域进行的，有可能在拧紧的过程中，螺栓会出现突然地断裂，一般来说在1200KN一下的高强度螺栓中不会发生这样的脆性断裂，也就是说常用的高强度螺栓不会出现这样的情况，可以放心使用。
影响螺栓转角与轴力之间的关系论述：
通常通过实验我们知道，首先螺栓长度，螺栓与螺母之间摩擦润滑状态影响着轴力与转角的关系，其实握距也是重要影响因素之一，与螺丝头与垫圈[8]之间的厚度称之为握距。
而握距就是影响因素之一，还和螺栓的刚度相关联。
并且我们可是得到在弹性基础上的转角与轴力的关系。
其中E为杨氏模量，p螺距L握距。
为横截面积。
从式子中得知L与θ成正比，即握距加大转角必将增加，而θ与P螺距成反比。
②扭矩系数，扭矩系数是本论文的中心，后面将会具体介绍，在这里简单提到过大的扭矩系数螺栓的强度和延展性（在亚洲中国和日本对于扭矩系数的控制有很好的掌握，欧美等地虽然很早发现意识到扭矩系数的重要性，但一直没有相关的规定标准）。
在螺栓的储存于在此使用时，一定要进行扭矩系数K的在次测量，扭矩系数一定会发生改变的，所以久置不用的螺栓要经过复检合格后方可再次使用[9]。
最后一点提到关于三次拧紧即初拧复拧和终拧问题，初拧只是让螺母与被连接物体刚好接触为好，以便在复拧时能用上全力，对于终拧，方法很简单。
一位普通的施工工人用尽全力完成拧紧过程即可当作终拧，需要提醒的是最好在三次拧紧的过程中进行标记，这样漏拧个过拧现象不会发生。
这里有对三次拧紧过程的具体介绍：
初拧，使用的是专用扳手，在螺栓群中按顺序进行，完事后有专用的小锤用来敲击检查，防止漏掉。
有时也可以进行划线，终拧用专门的扳手拧过一定的度数，每一个螺栓都按照此来进行通过度数的识别就可以发现漏拧的螺栓。
也有用不同颜色的笔来做记号。
在复查人员进行复查时就可通过对颜色的比较来判断螺栓的拧紧程度。
抽查时一般会选取出5到10份作为样本。
1.3.2扭剪型高强度螺栓的紧固原理
对比与上述大六角头螺栓，扭剪型螺栓的构成只需要用到一个垫片，在螺栓的后方与螺母相连接的地方加一个垫片。
前方的结构与大六角头截然不同是与螺杆连在一起的结构无需垫片。
即它和大六角头螺栓在外形上有所不同。
其次就是在对预紧力的控制方面有所不同，至于力学性能方面，可以参考上面的对大六角头的介绍。
还有它的特有的部分是一个突出的被称为梅花头的部分（一个卡头结构）。
对于扭剪型的紧固还需要特殊的工具扳子————电动扳手。
电动扳手有两个套筒，外套筒是作用在螺母上，内套筒是作用在上述介绍的梅花头部分，在电动扳手工作时，内外套筒产生方向相反但大小相等的扭矩当扭矩达到一定程度是切开断开，即梅花头部分脱离，证明紧固结束。
从这里我们可以判断出来，这种类型的螺栓承受的最大的力矩就是在拧断瞬间的力矩。
、当我们观察到梅花头断裂即可停止电动扳手，正由于此，所以对于剪型高强度螺栓的紧固并不需要特殊的工作人员完成，普通的施工人员就可以做到，所以在工程实际中可以省下聘请专业人员的费用。
以上是对于承受扭剪力的螺栓，而对于摩擦型的螺栓用扳手控制的扭矩法就可以做到。
接下来将过程中涉及到的相关公式介绍给大家。
由材料力学可知切断时达到的扭矩值（设为M
）
M
=
=
扭矩型材料用刚一般为20MnTiB，由工程材料知识可知在进行热处理时
一般等于0.77
抗拉强度值，温度的控制是确定扭断是力矩的一个重要因素，一般来说温度提高了10度，有可能力矩就减少了20n／m回火控制温度在规定的±10上左右。
最后区别于六大脚头螺栓，扭剪型的只需初拧和终拧即可，因为从梅花头的拧断直观上看出螺栓是否完成拧紧过程，对于力度的大小，这里有一个参考值。
终拧时候是普通人使用全力，而初拧时只需要使用终拧时一半或在多一点的力，力度在终拧的50﹪到80﹪如果选用转角法进行紧固的话,60°为最佳选择。
在操作过程中有三个最终影响因数扭矩系数K抗拉强度f
和d
梅花头切开直径。
f
值的控制就与材料的热处理相关，d
与加工制造工艺相关，扭矩系数K，详见下一章节。
1.3.3高强度螺栓的连接和施工
加工和制造孔：
按照相关规定对于螺栓和板件之间连接时，盖板和接板只能有一个是采用扩大孔型。
有时还要增大垫片的厚度，不如在盖板上采用大圆孔，一M24的螺栓为一个标准，对于M24以下的的垫片要求大于8mm，M24以上的垫片要求大于10mm。
对于施工操作空间也有要求。
我们知道施工的扳手一般分为三种，其中有手动扭矩扳手，长度大于45mm且是1.5倍的连接板孔径。
它的操作空间最小是140mm加上连接副的总长度。
对于电动扳手，长度为65mm，它的操作空间530mm加上连接副的总长度。
第三是大六角电动扳手，它分为处理M24以上和处理M24一下的两个扳手，M24以上的要求长度在60mm，施工空间要求500mm加上连接副的总长度，M24以下的长度为50mm，施工空间在450加上连接副的总长度。
对于制孔偏差的要求。
孔的类型一般分为三种第一标准圆孔，偏差从M24的+0.43到M30+0.84，第二大圆孔，偏差一样，直径不同圆度相同。
第三槽孔允许偏差分为长向和短向两部分，短向与前面的一致，长向从M24的0.84到M30的1.00
施工要求为分为钻孔成型和冲孔成型，钻孔用于承受的为动力载荷，需要重复作用和疲劳计算的高强度螺栓。
冲孔是厚度小于12mm的次构键连接。
标准圆孔通过量规检查当检查通过率为百分之85以上算合格。
孔公称直径小于1mm的要求。
直径为0.2到mm0.3mm的公称直径必须全部通过检查才行。
不能通过的孔在不影响施工图的基础上，要进行扩孔和补焊。
连接副接触面间隙：
板厚公差，当△≤1.0mm时不做处理。
在制造有偏差时，△=（1.0到3.0）使间隙更小。
对于充钉数量的选定，大于节点总数的三分之一两个以上的临时螺栓。
临时螺栓的百分之三十多于冲钉数。
施工前对于扳手也需要校订，调整误差在百分之三之间。
施工时对准中心距离以便于在此加力时方便和施力均匀[10]。
连接和安装：
在安装螺栓时一般将螺母拧进螺栓的一到二扣，用L表示螺栓长度，L1表示连接层的厚度，
，则我们可以得出
L=L1+
1.3.4小结
高强度螺栓在储存和运输方面的介绍：
在出场之后会附带给出厂说明书，质量保证书，操作施工人员要详细阅读。
对于螺纹的运输也要注意，螺纹定要轻拿轻放，避免磕碰。
有的螺栓只适合于室内存放，防止生锈潮湿等不良的环境。
如果存放的时间超过了半年，那么在此使之前要进行再次的复查。
扭矩系数是具有离散型的，上述的情况如果出现操作不当，扭矩系数就会发生变化。
转角法相比于已经介绍的几种是比较好用的，扭矩系数对它的影响会小一些，以螺母转动控制角度并以角度控制螺杆的轴向力。
通过以往的实验我们知道在进行初拧时，转角是与轴向力成正比的线性关系，由此相互控制作为操作基本原理。
还有我们前面讨论过的无论上述两种类型的哪一种它们的连接副均由螺栓﹑螺母和垫片组成。
大六角头螺栓由一个螺栓一个螺栓一个螺母和俩个垫片。
扭剪型的由一个螺母一个螺栓和一个垫片组成。
在其他方面两种类型的螺栓也有着不同的区别。
大六角头螺栓用力矩法和转角法来控制预紧力，而扭剪型的只需要用电动扳手拧断十二角体便可满足要求，并且对人工操作没有特殊要求，即普通施工人员就能完成。
上面我们介绍了与扭矩系数相关的两种类型的高强度螺栓连接副组成以及与扭矩系数相关知
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