
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

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文檔簡介
第三章金屬結(jié)構(gòu)的連接2023/9/10物流工程學(xué)院WHUT1第1頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—1連接方法及特點一、方法:
焊接:(廣泛應(yīng)用)螺栓連接:(用于常裝拆的結(jié)構(gòu))分為:普通螺栓和高強度螺栓鉚釘連接:(國外僅用于特重型橋吊主梁)膠合連接:(國內(nèi)未采用)銷軸連接:(用于兩構(gòu)件間的連接)第2頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、特點:
焊接:制造簡便,省工省料,不削弱構(gòu)件截面易于自動化操作;但易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形、焊接缺陷,質(zhì)量不易檢查。螺栓連接:易裝拆,質(zhì)量易檢查,塑性、韌性
好,但費工費料,削易構(gòu)件截面,動載作用下易松動;高強度螺栓除具有普通螺栓優(yōu)點以外,還具有傳力均勻,第3頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力集中小,疲勞強度高等優(yōu)點,但螺栓制造和連接表面要求較高。鉚接:承動載能力強,低溫下工作較可靠,但不能拆。第4頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—2連接的材料一、焊接(與焊接方法有關(guān)),焊接方法達35種之多。1.金屬結(jié)構(gòu)(起重機)常用的方法:
氣焊:氧炔焊(氧,乙炔)用于焊薄板,切割金屬;熱源為氣第5頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月電弧焊:應(yīng)用最多熱源:電弧①手工電弧焊;②埋弧自動(半自動)焊;③氣體保護焊電渣焊:熱源:電流通過燃渣產(chǎn)生電阻熱,常用于焊厚板或大截面構(gòu)件。第6頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.焊接材料:(電弧焊)1)手工電弧焊——焊條(按等強度原則選)焊Q235,常用E43型(老T42型)E4303(一般)
注:“43”為抗拉強度“0”為位置“03”為藥皮及電流(T422)E4315E4316應(yīng)用于重要結(jié)構(gòu)或重級工作制(T427)(T426)第7頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月焊16Mn,常用E50型(T50型)E5003(T502)E5015(T507)E5016(T506)焊Q235與16Mn的混合連接:E43型(一般).E50型(貼角焊,受力較大的焊縫)第8頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2)埋弧自動(半自動)焊:焊絲+焊劑焊Q235:H08,H08A,H08Mn+高硅型焊劑焊16Mn:H08MnA,H10Mn2+低錳型或無錳型焊劑3)氣體保護焊:焊絲+氣體(CO2,氬氣等)第9頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、螺栓分為:①普通螺栓—Q235-A,Q235-B,35;②高強度螺栓—螺栓:d≤24mm.45,40B,20MnTiBd>24mm.20MnTiB,35VB螺母:45,15MnVB墊圈:45(平墊圈)第10頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—3.焊接接頭型式與焊縫型式對接接頭對接焊縫
第11頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月
搭接接頭貼角焊縫
塞焊縫(角)槽形焊縫(角)第12頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月T字接頭開剖口焊縫角接接頭開剖口焊縫
第13頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—4.焊縫的靜強度計算一、對接焊縫的靜強度計算.1.承受軸力的對接焊縫:
第14頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月
σh=N/Af=N/lf·δ≤〔σh〕式中:lf—焊縫計算長度:有引弧板時lf=b無引弧板時lf=b-5×2mm〔σh〕—焊縫許用應(yīng)力,查表3-1(P67)第15頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月
2.承受剪力的對接焊縫(純剪)
τ=Q/Af=Q/lf·d≤〔τh〕
式中:lf、δ同前,〔τh〕查表3—1第16頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月3.N、Q、M共同作用下的對接焊縫例1:第17頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月危險點:A、B.A:σh=N/Af+M/Wf≤〔σh〕B:τh=QSf/If·δ≤〔τh〕Sf—計算點到截面邊緣部分的截面面積對中性軸(通過截面型心的軸)的靜矩第18頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例2:第19頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月危險點:A,B.A:
B:第20頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、貼角焊縫的靜強度計算1)側(cè)焊縫第21頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(1)應(yīng)力分布規(guī)律:不均勻(曲線),兩頭大中間?。?)破壞形式:剪切破壞,破壞面為最小剪切面(45度工作面)第22頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2)端焊縫第23頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月
(1)應(yīng)力分布規(guī)律:復(fù)雜,應(yīng)力集中在根部(a點);(2)破壞形式:多樣。3)圍焊縫(三面圍焊):塑性低于側(cè)焊,靜強度和側(cè)焊相當(dāng),疲勞強度高于側(cè)焊,由于貼角焊縫差別較大,受力復(fù)雜精確計算十分困難,以往多數(shù)國家采用以實驗結(jié)果為主要依據(jù)的計劃設(shè)計算法。第24頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.貼角焊縫發(fā)計算假定:
除忽略焊接殘余應(yīng)力及焊縫的增高影響外,做如下幾點假定:1)不分側(cè)縫和端縫2)以焊接的最小截面—45斜面作為計算截面3)不論連接受拉、壓、剪、彎、把計算應(yīng)力均視為剪應(yīng)力。第25頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月3.貼角焊縫的靜強度計算
1)連接受軸向力的搭接接頭例1.第26頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月
τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕δf=焊縫計算厚度.δf=0.7hf∑lf—焊縫計算長度之和.
第27頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月例2.
τN=N/Af=N/(∑lf·δf)≤〔τh〕其中δf為周長∑lf—連接一邊焊縫的計算長度之和,按下面規(guī)則取值第28頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月第29頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月注:焊縫計算長度的規(guī)定:(1)各條側(cè)縫或端縫的最小計算長度取為8hf且不小于40mm(由構(gòu)造保證).(2)側(cè)焊縫的最大計算長度受靜載:每條側(cè)縫取lf≤60hf受動載:每條側(cè)縫取lf≤40hf(超出部分不考慮)第30頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2)受彎矩M的T字接頭第31頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月危險點:AIfx——對軸x求慣性矩,稱為軸慣性矩法。
第32頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月3)承受M的搭接接頭第33頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月計算假設(shè):(1)構(gòu)件為絕對剛性,焊縫為彈性;(2)在M作用下,構(gòu)件焊縫計算截面型心作相對轉(zhuǎn)動
由上面假設(shè)有:在一點處,τi大小于其到O的距離成正比,方向垂直于連線當(dāng)點距O為單位長度r=1時,焊縫計算應(yīng)力為:τ1當(dāng)點距O為單位長度r=i時,焊縫計算應(yīng)力為:τi
τ1/r1=τi/ri
r1=1
τi=τ1·r
i第34頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月
IP(極慣矩)
所以:τ1=M/IP
任一點處:τi=τi·ri=ri·M/IP
τmax=rmax·M/IP離型心最遠的焊縫所受的剪應(yīng)力.強度計算式:τmax=rmax·M/IP≤〔τh〕極慣性矩法第35頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月τmax=rmax·M/(Ix+Iy)≤〔τh〕軸慣性矩法(常用)第36頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月4)復(fù)雜焊縫的強度計算(1)承受N、Q、M的工字形截面接頭的貼角的焊縫第37頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月①將外力P、N向焊縫截面簡化得:Q=P,M=P·e,N.②計算焊縫截面幾何特性參數(shù):Af,A′f,If,WfA,WfB③危險點:A,B強度計算A:B:第38頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月式中:Af—焊縫總面積.
Af—腹板焊縫部分的面積.
,WfA,WfB—分別為A,B點的抗彎截面模量第39頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)承受N,Q,M的搭接接頭第40頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月①將外力向形心轉(zhuǎn)化得:N,Q=P,M=P·e假設(shè):在N,Q作用下,應(yīng)力由全部焊縫均擔(dān)任一點處:τN=N/Af(→)τQ=Q/Af(↓)在M作用下,離O點最遠的點為A,B點.危險點:A(見右上圖分析)
sinα=ymax/rA
cosα=xmax/rA
第41頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月強度條件:其中:τMA=rA·M/IP=rA·M/Ix+Iy
第42頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—5設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)的注意事項根據(jù)資料統(tǒng)計,疲勞失效占金屬結(jié)構(gòu)失效形式的(80—90)%,尤其對經(jīng)常滿載,頻繁工作,承受變載,動載的港口裝卸用的起重機,疲勞破壞往往從焊接接頭處開始產(chǎn)生.一、合理選材:塑、韌性好——抗裂性好,慎用高強度鋼材。板厚一般δmin≥4mmδmax≤40mmQ235δmax≤30mm16Mn第43頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、構(gòu)造設(shè)計:合理布置焊縫,注意細節(jié)處理.1.焊縫不宜太集中第44頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.避免焊縫主體交叉(使主焊縫連續(xù),次焊縫斷開)3.避免焊縫布置在易產(chǎn)生應(yīng)力集中處第45頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月4.不同厚(寬)的鋼板對焊接時,應(yīng)使力流平滑過渡.第46頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月(滿足表3—2的不等厚板對接厚度差時,可不開斜口)對接:δ>6mm(手工焊)δ>8mm(自動焊)應(yīng)開剖口,剖口形式詳見機械設(shè)計手冊或國家標準5.不允許采用單面搭接端焊縫第47頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月6.焊縫布置應(yīng)便于施工(詳見P75)7.焊縫高度(貼角焊縫hmin,hmax),應(yīng)滿足構(gòu)造要求(P70)第48頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月8.焊縫重心線應(yīng)盡量與構(gòu)件重心線重合焊縫的分配比例見P71,表3—4第49頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月9.承靜載時,宜優(yōu)先采用二面?zhèn)群赋袆虞d時,宜優(yōu)先采用三面?zhèn)群歌旒芄?jié)點第50頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—6普通螺栓連接一、分類:
普通螺栓:①粗制—Ⅱ類孔,Φ孔-d栓=1~2mm,用于主要受拉的連接第51頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月②精制—Ⅰ類孔,Φ孔-d栓=0.2~0.3mm,(鉸孔)用于同時承拉,剪,或受剪連接.(鉆模、鉆、沖孔、擴鉆、鉸孔)第52頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、連接形式:①剪力螺栓連接②拉力螺栓連接③拉剪力螺栓連接三、螺栓布置的極限尺寸要求(P79,表3—5)布置方式及要求:①并列②錯列見P28圖3—49第53頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—7剪力螺栓連接計算第54頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月一、受軸心力作用下的受剪螺栓連接
破壞形式:栓桿剪斷,孔壁或桿身壓壞,板端剪裂,板端拉裂,板拉斷常見破壞形式:栓桿剪斷,孔壁擠壞,板拉斷。計算內(nèi)容:螺栓、構(gòu)件計算方法:Ⅰ先計算所需螺栓數(shù),后進行布置Ⅱ先按經(jīng)驗布置,后驗算按方法Ⅰ.第55頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月1.所需螺栓數(shù):式中:—單螺栓抗剪許用承載力和孔壁抗壓許用承載力中的較小值
許用剪應(yīng)力見表3—7
—許用壓應(yīng)力表3—7—擠壓面積—同方向承壓構(gòu)件的較小總厚度第56頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.構(gòu)件強度計算:設(shè)δB<∑δA(如取構(gòu)件板B計算):第57頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月危險截面:并列布置時—為第1列栓孔處(Ⅰ—Ⅰ截面)錯列布置時—①第1列栓孔處(Ⅰ—Ⅰ截面)②第1,2列及其后面栓孔處的鋸齒形截面(Ⅱ—Ⅱ)強度驗算:σ=N/Aj≤〔σ〕Aj—Ⅰ—Ⅰ截面:Aj=A-n1dδⅡ—Ⅱ截面:Aj=A-(n1+n2)dδ+
第58頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、偏心力作用下的受剪螺栓連接第59頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月外力向螺栓群心o轉(zhuǎn)化假定:①在過o的P力作用下,各栓受相同剪力,RP=P/n②在M作用下,連接板繞群心o旋轉(zhuǎn),各栓受剪力,大小與其與o距離成正比,方向垂直于連線oi;R1/r1=Ri/ri=KRi=KriRmax=K·rmax第60頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月分析:危險螺栓?Rmax=?危險螺栓:4和6
在M作用下:第61頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月在P作用下:RP=P/n危險螺栓強度條件:
式中:—取和中的較小者第62頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—8拉力螺栓連R:杠桿反力第63頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月一、軸心作用下的拉力螺栓螺栓破壞截面—螺紋、根部??紤]杠桿反力及應(yīng)力集中因素的影響,將螺栓許用應(yīng)力降低20%式中:—單栓抗拉許用承載力.
—螺栓抗拉許用應(yīng)力.—螺栓材料許用應(yīng)力d0—螺紋內(nèi)徑第64頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、力矩作用下的拉力螺栓第65頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月假定連接法蘭(板)剛性足夠大,在M作用下,連接板繞受壓邊排螺栓線:x′-x′軸轉(zhuǎn)動,各螺栓所受拉力與其到x′-x′軸的距離成正比。
Pi/yi=Pmax/ymax
Pi=Pmax·yi/ymax螺栓強度條件:
第66頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月三、偏心受拉螺栓第67頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)e>ρ時:先計算e=M/Nρ=Ix/n|ymax|再判斷:e≤ρ或e>ρ而后計算:Pmax螺栓強度條件:
第68頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—9拉剪螺栓連接計算:(自學(xué))根據(jù)試驗結(jié)果:在拉剪聯(lián)合作用下,符合因形相關(guān)公式:第69頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月若螺栓的計算拉力、剪力分別為Pll和Pjl,則強度條件為:
(結(jié)論:當(dāng)強度滿足)第70頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月§3—10高強度螺栓連接設(shè)計計算一、種類、特點及應(yīng)用1.按形狀分:①大六角頭
用扭矩扳手
第71頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月②扭剪形(日本首例)
先用普通扳手,后用TC型電動扳手套住螺母和卡頭終擰,直至卡頭擰斷。第72頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.按受剪螺栓受力性能的不同階段分:摩擦型承壓型摩擦型的工作原理:對螺栓施加足夠大的預(yù)緊力使被連接件接觸面間產(chǎn)生摩擦力來傳遞力。承載能力極限狀態(tài):被連接件間的摩擦阻力剛被克服作為其極限狀態(tài).
第73頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月特點:不松動,耐疲勞。應(yīng)用:用于直接承受動雜載的結(jié)構(gòu)。承壓型:承載能力極限狀態(tài):連接面間滑移后,栓桿剪斷或孔壁擠壓壞,宜用于承靜載或間接承動載的結(jié)構(gòu)。第74頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月二、摩擦型高強螺栓連接的強度計算1.軸心力作用下的剪力螺栓第75頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月N/n≤〔P〕
〔P〕—但栓抗滑許用承載力.
〔P〕=0.7·Zm·f·PgZm—傳力摩擦面數(shù);f—摩擦系數(shù)(與表面處理方法有關(guān)),查表(3-9)Pg—預(yù)拉力(預(yù)緊力).查表3-80.7—安全系數(shù)n=1.43的倒數(shù).第76頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月2.偏心力作用下的剪力螺栓
計算公式同普通螺栓,但許用承載力應(yīng)為高強螺栓的許用承載力。第77頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月3.剪力和拉力作用下的剪力螺栓.第78頁,課件共88頁,創(chuàng)作于2023年2月強度條件:單栓抗滑承載力:PQ≤〔P〕′單栓抗拉承載力:PN≤0.7Pg〔P〕′—拉、剪作用下的單栓抗滑許用承載力
〔P〕′=0.7Zmf(Pg-1.4Pt)Pt—每個螺栓所受的外拉力.Pt≤0.7Pg第79頁,課件共
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