螺栓组连接结构设计应考虑哪些问题

1. 首先是看螺栓组是否满足构造要求，如下所示：

2. 其次分析螺栓组整体受力，是螺栓组抗拉还是抗剪。

如果是抗拉，计算受力最不利的单个螺栓，其抗拉承载力是否满足要求。

如果是抗剪，计算受力最不利的单个螺栓其受剪承载力和连接件的局部承压承载力，取两者的较小者与所受最大剪力比较，看是否满足要求。

3. 注：上面2说的是普通螺栓组的计算要求，高强螺栓组计算与之不同，摩擦型要注意摩擦面的抗滑移系数、承压型要注意预拉力。详见钢结构设计规范第7.2节。

陪我吃泡面为您解答：

实用设计法、精确计算设计法、常用简化设计法和等强度连接设计方法。

一、实用设计法是按被连接的翼缘的净截面面积等强度条件进行拼接连接，而腹板的连接除对作用在拼接位置的剪力进行计算外，尚应按腹板净截面面积的抗剪承载力的1/2或构件两端弯矩之和除以构件的净跨长度所得到的剪力来确定。

二、精确计算设计法是被连接的构件翼缘和腹板按其惯性矩比例分担截面处的弯矩，而剪力全部由腹板承担。

三、常用简化设计法是按构件翼缘承担所有的弯矩，而腹板承担所有的剪力来进行拼接设计的。

四、等强度设计法是按被连接的翼缘或腹板的净截面面积等强度的条件来进行拼接的。抗震节点设计遵循的原则除了受力明确减少应力集中和便于加工安

装以外，最重要的一点就是满足强连接弱构件的原则，避免因连接较弱而使结构整体破坏。等强度连接设计方法的目的就是使构件连接的承载力与构件承载力相等或

者比构件承载力更高。所以等强度连接设计方法经常用于结构按抗震设计或弹塑性设计中的构件拼接设计，以保证构件的连续性和具有良好的延性。

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1）连接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、框形、三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓使螺栓组的对称中心和连接接合面的形心中心重合，从而保证连接接合面受力比较均匀。

2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。

3）螺栓的排列应有合理的间距、边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的距离也可以查表获得。

4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取4、6、8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。

5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上没法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被轴线相垂直。在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈，特殊情况下，也可采用球面垫圈等。

workbench里面有螺栓预紧载荷。如果还要考核螺纹牙的受力状况，就要对螺纹和螺纹孔进行详细建模，不过这时模型就会很复杂，不利于求解，一般也很难算准

2、应根据设防烈度、建筑高度及抗震等级选择适当的节点连接方式和构造措施。重要且复杂的节点与连接的受力性能应通过试验确定，试验方法应符合相应规定。

3、装配式结构的节点和连接应同时满足使用和施工阶段的承载力、稳定性和变形的要求；在保证结构整体受力性能的前提下，应力求连接构造简单，传力直接，受力明确；所有构件承受的荷载和作用，应有可靠的传向基础的连续的传递路径。

4、承重结构中节点和连接的承载能力和延性不宜低于同类现浇结构，亦不宜低于预制构件本身，应满足强剪弱弯，更强节点设计理念。

5、宜采取可靠的构造措施及施工方法，使装配式结构中预制构件之间或者预制构件与现浇构件之间的节点或接缝的承载力、刚度和延性不低于现浇结构，使装配式结构成为等同现浇装配式结构。

当节点连接构造不能使装配式结构成为等同现浇型混凝土结构时，应根据结构体系的受力性能、节点和连接的特点采取合理准确的计算模型，并应考虑连接和节点刚度对结构内力分布和整体刚度的影响。

6、预制构件的连接部位应满足建筑物理性能的功能要求。预制外墙及其连接部位的保温、隔热和防潮性能应符合现行国家标准《民用建筑热工设计规范》GB 50176和国家现行相关建筑节能设计标准的规定。必要时，应通过相关的试验。

常见的连接结构分类为:

1、螺纹连接

2、键、卡勾、花键和销连接

3、过盈连接

4、焊、粘、铆连接

按拆卸可能性分类：

1、可拆卸连接。如：螺纹连接、花键连接、卡勾连接。

2、不可拆卸连接。如：铆连接、焊连接。

按锁合分类：

1、力锁合连接。如：过盈连接。

2、形锁合连接。如：花键连接、平键连接、圆柱销连接、铰制孔螺栓连接。

3、材料锁合连接。如：钎焊连接、胶粘连接等。

向左转|向右转

1、拟设计一台总冲(It)在600N-S左右的固体火箭发动机

2、发动机既定采用KNDX为燃料

3、发动机的设计推力曲线应尽量平缓，推力均匀

4、发动机的设计应考虑将来发动机用于可导火箭的兼容性

5、发动机要考虑与开伞设备的兼容性

二、基本参数估算

1、推进剂用量估算

KNDX实际密度取1.8 g/ 比冲(Isp)试取120S

则所需推进剂质量为

M== 600/9.8*120=0.5102kg=510.2g

推进剂体积：

V=510.2/1.8=283.4

2、发动机几何尺寸估算

初步假设发动机长径比为5：1

燃料内孔15mm

则发动机尺寸应满足

V=1/4∏（ - ）H（1）

H/Di=5（2）

其中V ——燃料体积

Di——发动机内径

d ——燃料内孔直径

H ——发动机长度

将数据代入式（1）（2）计算得(求解一个一元三次方程)

发动机内径 Di=43.45mm

发动机长度H=217.25mm

三、参数计算

上面的计算结果，仅仅是为了明确发动机规格的大方向，还不能满足火箭设计的需要，因此，在下面的设计过程中，主要是围绕上面得出的结果，以SRM计算软件为平台，确定发动机、药柱的具体尺寸。

1、发动机、药柱基本尺寸的确定

将上述计算结果进行圆整代入SRM，同时细微调整药柱尺寸、数量，使压力曲线平缓，在本方案中，确定药柱方案如下：

药柱外径：42mm

药柱内径：15mm

单段药柱长度：70mm

药柱数量：3

喷燃比变化如右图1：

图1

发动机内径：45mm（计算时应使用42mm，留有3mm做隔热层）

喉口直径初步选择:10 mm 初始喷然比218

压力曲线如右图2：

最大压力：4.6MPa

燃烧时间：1.352S

最大推力：498N

平均推力：424N

总冲:618 NS

图2

下面是SRM计算的截图：

2、发动机结构设

（1）发动机壁厚计算

由上面的计算结果知：

发动机最大工作压力 Pmax=4.6Mpa

壁厚由以下公式进行计算:

δ= ( - 1)（3）

其中： 为材料在相应温度下的许用应力，单位MPa。

对于铝合金 = 0.2/k，K为安全系数取1.1~1.25。

Di为发动机内径，单位mm。

δ为发动机理论壁厚，单位mm。

= Pmax×Kp×Kt（4）

Kp——由于零件装配误差产生的压力跳动系数

Kt——环境温度分别为50℃和20℃时燃气最大压力的比值。

Kp取值为1.1~1.2，Kt的数值一般由实验得出，在此本人根据相关资料保守取值1.5。

本设计中，采用LY12(现在叫2A12，相当于2024)铝合金作为发动机壳体材料，虽然LY12并不是最好的发动机铝合金材料，但是LY12管材市场上较容易买到，相关数据也较为充足，所以在此予以采用。

LY12铝合金管材在300摄氏度时的 0.2资料并不确切（机械设计手册上棒材相应数据为115Mpa），在此亦根据本人经验，短期强度姑且定为110Mpa。

将各数据代入公式计算：

= Pmax×Kp×Kt = 4.6×1.1×1.5 = 7.59Mpa

= 0.2/k=110/1.2=91.6 Mpa

δ= ( - 1)= ( - 1)=1.684mm

则发动机外径Do=1.684*2+45=48.368mm

此外，由于壳体螺纹加工余量、加工精度、标准铝管系列等问题，发动机外径定为52mm。

（2）连接结构设计。

首先，在进行连接结构设计的同时，进行发动机草图的绘制。

本设计中喷管及堵头采用螺纹连接的方式与发动机壳体固定，所需螺纹长度计算如下：

在发动机的工作过程中，连接螺纹同时受到弯矩、剪切应力、及挤压应力的共同作用,其中，弯矩是限制螺纹长度的主要因素，所以在此以弯矩校核螺纹长度。

A、 弯矩校核

nб=0.721(4)

nб——保证抗弯强度需要的螺纹圈数

d2 ——螺纹中径

t ——螺距

——抗弯许用应力

关于铝合金的抗弯许用应力，个人查阅了许多资料也未获得，仅有下面的只言片语“铝合金抗弯强度级低，为10~35Mpa”因此这里的螺纹长度只能估算，然后试验验证了。

本发动机采用普通细牙螺纹，螺距1.5mm 、螺纹大径47mm、中径46.026mm

nб=0.721 = 0.721 = 6.8

同样，由于加工公差，螺纹工艺，高温影响等因素，真正的螺纹圈数应比计算值取得较大，由下式计算。

N= 1.5nб+ 4 =1.5*6.8+4=14.2圈

螺纹长度L=Nt=14.2*1.5=21.3mm 取20mm

（3）堵头厚度计算

堵头厚度按平板封头进行计算

δ=D (5)

δ——平板封头厚度(mm)

D——计算直径(mm)

K——封头系数 (在此可取0.3)

——封头材料许用应力(Mpa)

代入数值计算：

δ=45 = 8.11mm

δ=45 = 7.09mm

上式中的计算值，对于喷管，按45#钢（或304）不锈钢在高温下取70Mpa进行计算的。喷管本身为椎体结构，受力较平板要好，且喷管处的压力较燃烧室内小很多，因此个人认为，喷管喉口以前部分，厚度在5mm左右即可。

对于上堵头，为平板结构，为降低发动机重量，采用铝合金，需要有良好的隔热措施，计算厚度不小于7.1mm。

至此，发动机整体设计完毕，发动机的细节在此就不做更多的说明，结构请参见附件图纸。