CN105840602A - 一种连接装置及链接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连接装置，包括第一构件、第二构件以及将所述第一构件与第二构件固定的紧固件，其特征在于：还包括一外形为椭圆形的转换连接件，在所述第一构件和第二构件上均设置有椭圆形的连接孔，所述第一构件和第二构件套在所述转换连接件上并通过紧固件固定，所述椭圆形连接孔的长轴与所述第一构件和第二构件的主拉、压应力平行，所述椭圆形连接孔的短轴与所述第一构件和第二构件的主拉、压应力垂直。所述装置即可作为结构构件的连接装置，亦可只使用椭圆形螺栓孔以满足构件工艺或功能性开孔需求。与现有技术相比，本发明可以有效缓解构件螺栓孔处的集中应力，降低疲劳荷载对构件的影响程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧固件以及开孔形式，尤其是涉及各种结构构件之间的连接、加固。
背景技术
钢结构作为建筑、桥梁、机械、航空航天、船舶等的主体结构，与人们的日常生活密不可分。钢结构是由钢板、型钢通过一些必要的连接组成的构件,各构件再通过安装连接形成整体结构。各连接部位应有足够的刚度、强度和延性。除了钢结构，近几十年兴起的复合材料结构、组合结构等都需要可靠地连接使其具备整体性。因此选择正确的节点构造和连接装置是各类结构设计中的关键环节。
螺栓连接是各类结构中最简单的一种连接形式，螺栓连接由于具备安装方便,可拆、装等优点,成为了当代各类结构中最重要的连接形式之一。随着螺栓连接技术的发展与改进,螺栓连接逐步由粗制螺栓发展成精制螺栓以及技术较为先进的高强螺栓。其中高强螺栓以其连接紧密、耐疲劳、受力良好、安装简单、可拆换、相对普通螺栓变形较小的特点而被广泛使用。
本发明的灵感直接来源是为了解决一体化蜂窝板弯曲过程中在底板开孔处出现的应力集中现象。一体化蜂窝板具有轻质、高强、稳定的力学特性。但由于目前制作一体化蜂窝板的过程中会在一侧蜂窝面上留下工艺小孔。当蜂窝板受弯时，下面板会处于受拉状态。而有孔面处于此状态时，开孔处会产生集中应力，导致蜂窝下面板首先在开孔处产生裂缝，并最终扩散至整个下面板。因此有孔面朝下时，蜂窝板的抗弯强度仅为有孔面朝上时的三分之一。当下面板采用椭圆形开孔时，开孔处的应力集中现象将明显得到缓解。
在实际工程中的各类结构，由于工作环境复杂，不可避免的直接或间接承受动力荷载或是疲劳荷载。对于各类结构破坏事故的统计中,疲劳破坏(包括高温疲劳、腐烛疲劳、接触疲劳、热疲劳等)经常处于首位,可占到50％到90％。美国材料试验学会定义的疲劳为:材料上某一点或多点上产生了变化的应力应变,在经过了足够次数的变化之后最终产生了裂纹或者是完全断裂,其结构发生渐进且永久变化的过程。构件在荷载的反复作用下,应力若超过一定极限时,在应力较大的部位会出现细微的疲劳裂纹，这个过程中构件的截面不断削弱直到最终断裂。构件在发生疲劳破坏之前没有显著的变形,是一种突然发生的脆性断裂。虽然螺栓孔一般为圆形，缺口处较为平滑，但依然会出现严重的应力集中现象。该缺口处的应力集中会导致构件连接处在疲劳荷载下出现疲劳裂缝，其螺栓孔(缺口)破坏时的应力远低于材料本身的强度，使得各类结构的实际使用年限远低于其设计使用年限。而新型螺栓连接装置及其特有的椭圆形开孔可以有效缓解由于构件开孔所导致的应力集中问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述传统圆形开孔以及圆形螺栓孔在连接中出现的应力集中问题，特别是直接承受动荷载或是疲劳荷载的构件。由于缺口处的应力集中程度与该处曲率有关，因此对于一些特殊受力构件，即构件中的最大拉、压应力具有明显的方向性，则可以通过将传统的圆形螺栓孔设计为椭圆形螺栓孔，并使得椭圆形的长轴与构件中最大应力方向垂直，以此有效缓解构件缺口处的应力集中现象。通过设置转换连接件，以兼容现有的传统螺栓连接体系，保证新型螺栓连接的易用性和通用性。并且，该转换连接件易更换，维护费用低，减少主体结构产生细微的疲劳裂纹，延长主体结构的实际使用年限。以下通过有限元模拟分析，说明椭圆形螺栓孔对孔口处应力集中的缓解程度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种连接装置，包括第一构件、第二构件以及将所述第一构件与第二构件固定的紧固件，其特征在于：还包括一外形为椭圆形的转换连接件，在所述第一构件和第二构件上均设置有椭圆形的连接孔，所述第一构件和第二构件套在所述转换连接件上并通过紧固件固定，所述椭圆形连接孔的长轴与所述第一构件和第二构件的主拉、压应力平行，所述椭圆形连接孔的短轴与所述第一构件和第二构件的主拉、压应力垂直。
所述椭圆的曲率半径为：椭圆形螺栓孔可根据实际构件的要求以及图7的小孔应力集中系数曲线，通过改变长短轴比例调整孔口曲率以满足实际工程中构件对孔口应力集中程度的要求。
所述转换连接件的厚度与所述第一构件和第二构件的厚度之和相等。
所述紧固件包括螺栓和螺母。
所述紧固件还包括垫片。
转换连接件外形为椭圆形，内部开圆形螺栓孔，圆形螺栓孔孔径由螺栓直径决定，以兼容现有的螺栓连接体系。
本发明新型螺栓连接是一种有效缓解螺栓孔缺口处集中应力，控制结构构件在动荷载或疲劳荷载作用下的构件损伤。包括椭圆形螺栓孔、螺栓、螺母、A垫片、B垫片以及转换连接件。椭圆形螺栓孔内放置转换连接件，该连接件外形为椭圆形，内部开圆形螺栓孔，以兼容现有的螺栓连接体系，且放置在椭圆形内的转换连接件可更换。在转换连接件两侧，每侧均放置若干个半径不等的垫片，且靠近转换连接件的垫片半径大，远离转换连接件的垫片半径小。由上述可知，用新型螺栓连接装置代替传统螺栓连接方案，可明显降低构件孔口处的集中应力，减少主体结构产生细微的疲劳裂纹，延长主体结构的实际使用年限。在传统的螺栓连接中，螺栓孔的孔径较小，即曲率较大。构件连接处的孔口应力集中系数与曲率有很大的关联。表现为：曲率越大，则应力集中系数越大。实际工程中，对于各类结构破坏事故的统计中,由于构件强度不够或是变形过大导致的破坏事故数量远小于疲劳破坏。构件在荷载的反复作用下,应力若超过一定极限时,在应力较大的部位会出现细微的疲劳裂纹，所以构件在发生疲劳破坏之前没有显著的变形,是一种突然发生的脆性断裂。因此无论是对建筑、桥梁、航空航天或是船舶等结构构件，螺栓孔处的集中应力对疲劳破坏的影响不可忽视。而本发明可以有效缓解构件螺栓孔处的集中应力，降低疲劳荷载对构件的影响程度。
本发明采用椭圆形螺栓孔代替传统圆形螺栓孔，并在椭圆形螺栓孔中设置转换连接件，使得新型螺栓连接装置能够兼容传统的螺栓连接***，该新型螺栓连接装置具有以下作用：1、在最大拉、压应力具有明显的方向性时，将椭圆形螺栓孔的长轴与该应力方向一致，则可有效降低螺栓孔口出的集中应力，可以避免动荷载或疲劳荷载在主体结构中产生细小的疲劳裂缝；2、在椭圆形螺栓孔中设置转换连接件，可以兼容现有的螺栓连接体系；3、转件连接件中有圆孔，相对于构件中的椭圆形螺栓孔，连接件中的圆形螺栓孔更易发生应力集中，因此会将动荷载或疲劳荷载对构件影响转化为对该连接件的影响，以此保障主体结构的耐久性。由于该连接件很小且属于非主体结构构件，因此易更换。申请人对上述新型螺栓连接装置进行三维有限元解析得，在荷载相同的情况下，新型螺栓连接装置的孔口集中应力比传统螺栓连接装置降低30％以上。
附图说明
图1为本发明装配示意图；
图中编号：1为螺栓；2，9为垫片A；3,8为垫片B；4为转换连接件；5为第一构件；6为连接孔；7为第二构件；10为螺母。
图2为图1装配完成图；
图3为图1装配完成后的侧视图；
图4为一体化蜂窝板受弯(工况1)时板中应力分布情况(跨中剖面图)
图5为图4中A、B两点孔间应力分布图；
图中编号：11为主应力σ方向；12为椭圆长轴a，短轴b位置示意图；13为椭圆开孔示意图。
图6为不同开孔形式下，图4中A、B两点孔间应力-曲率曲线；
图7为小孔应力集中系数Kr随图4B点曲率半径的变化情况；
图8为工况下2应力云图；
图9为图6中A、B点之间应力分布；
图10为新型螺栓连接模拟剪切加载(工况3)示意图；
图11为新型螺栓连接处应力影响分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明：
图1所示，本发明连接装置，包括第一构件5、第二构件7、转换连接件4以及紧固装置。其中，紧固装置包括螺栓1、垫片A(2和9)、垫片B(3和8)、以及螺母10，其中垫片A的直径略小与垫片B的直径。第一构件5和第二构件7相互连接位置分别开设有椭圆形的连接孔6，转换连接件4的外形也为椭圆形，当第一构件5和第二构件7连接时，首先将转换连接件4放置在连接孔6内，然后将螺栓1穿过转换连接件并在另一端通过螺母10固定。
本说明书中通过有限元软件分为模拟3三种工况下的开孔处应力大小来说明椭圆孔的优越性。三种工况分别为：1.底板在不同开孔形式下的一体化蜂窝板受弯分析；2.开有不同尺寸椭圆孔的钢板拉伸分析；3.椭圆形孔的新型螺栓连接抗拉分析。本说明书中的连接装置尺寸依据构件连接的常用尺寸设置，采用材料为Q235B钢。单独使用螺栓孔满足工艺或功能要求时，详细尺寸见表工况2，作为构件的连接装置时，详细尺寸见表工况3。其中l为构件长度；h为构件宽度；a为椭圆形长轴；b为椭圆形短轴；r为圆形半径。
工况2(单位mm)
| 开孔类型 | l | h | a | b | r |
| 圆形 | 110 | 50 | 0 | 0 | 2.5 |
| 椭圆1 | 110 | 50 | 5 | 2.5 | 0 |
| 椭圆2 | 110 | 50 | 10 | 2.5 | 0 |
工况3(单位mm)
工况1：
在一体化蜂窝板跨中加载竖向位移，使得蜂窝板处于弯曲状态。由图4，5可知，受弯构件的受拉侧，在开孔边缘，与主拉应力σ垂直的方向(A-B向)会产生集中应力；而当应力集中处产生裂缝时，孔边平行于主拉应力的方向仍处于弹性阶段，使得材料性能不能充分发挥。因此可以将小孔设置为椭圆形，在保持具有与圆形相同截面的前提下，设计其长轴b与主拉应力方向一致，短轴方向a则与主拉应力方向垂直(图5)。这样即可减少小在X方向的开孔尺寸，又能减小图5B处的曲率，从而有效减小孔边集中应力的影响，使得材料能够充分发挥,为实际工程中受孔口应力影响较大的构件提供切实可行的解决方案。图6为不同开孔尺寸下A、B两点的应力分布。定义每条曲线的最大、最小应力值之比Kr为小孔的应力集中系数，其中下表r指的是B点的曲率半径。可知，随着B点曲率半径的增加，该点处的应力集中现象明显缓解。并将Kr随r的变化曲线绘于图7中，小孔的应力集中系数从K2的1.92下降到K10的1.28，下降幅度达50％。在实际工程中，可根据构件对小孔应力集中系数Kr的要求，调整椭圆孔的尺寸。
工况2：由于缺口处的应力集中系数与缺口的曲率以及应力方向有关。当结构构件中的拉、压应力具有明显的方向性时，孔口处的产生集中应力的方向与应力方向垂直。因此可根据主拉、压的应力方向调整开孔曲率。在保持开孔面积不变或是构件截面面积不变的情况下，减小开孔处的集中应力以及在反复动荷载作用下的疲劳损伤。以下通过有限元分析软件ABAQUS对开孔构件进行受拉分析，通过考察在构件中主应力具有明显方向性时孔口的应力状态说明椭圆形开孔的优势。通过ABAQUS解析，分别取开孔为圆形以及椭圆形的构件开孔处的应力云图如图4所示。图4中数字为该开孔形状、尺寸下孔口处的最大应力(Mpa)，σ为主拉应力方向。并取三种开孔形状下A、B两点之间路径的应力状态如图5所示。可知，圆、椭圆1、椭圆2，三种模型的最大应力相差57％，且A、B两点之间最大应力与最小应力之比Kr分别为2.25,1.56,1.11.可见随着A、B点处的曲率不断减少，在保持构件沿宽度方向截面不变的情况下，可有效减少孔口处的应力集中系数。并且可根据构件尺寸、设计使用年限、应力方向等因素调整椭圆长短轴比例以满足结构构件的实际工艺与功能开孔需求。
工况3：由于传统的螺栓连接会在孔口处产生集中应力，特别是在构件承受动荷载或是疲劳荷载的条件下，孔口的集中应力将导致细微的疲劳裂缝，影响构件的长期使用寿命。这也是许多结构的实际使用年限远低于设计使用年限的原因。在主应力具有明显方向性的构件中，设置椭圆形孔可以有效降低孔边集中应力。并在此基础上，通过转换连接件将椭圆螺栓孔与现行的传统螺栓连接统一起来。使用有限元分析软件ABAQUS对新型螺栓连接与传统螺栓连接进行剪切分析，通过对实际构件连接处的仿生模拟，观察连接构件本身以及螺栓连接处的应力分布，分析得到两种情况下构件孔边的应力放大系数以及孔口应力的影响范围。通过比较应力放大系数以及应力影响范围说明新型螺栓连接的优势。
通过ABAQUS解析(见图6加载模型)，对构件A、构件B施加大小相等，方向相仿的水平位移荷载。分别取螺栓连接处的应力影响分布图如图7所示，
由有限元解析可知，新型螺栓连接中，构件的最大应力为137Mpa，传统螺栓连接，其构件中的最大应力为176Mpa，比新型螺栓连接装置大28.5％。且从应力影响分布可知，新型螺栓连接装置的应力影响范围为S1，传统螺栓连接装置为S2。则由图示范围可知，S1比S2大40％。即说明，传统的螺栓连接装置，在荷载作用下，构件开孔处的集中应力影响范围比新型螺栓连接装置大40％。因此新型螺栓连接除了可以明显降低构件本身孔口最大应力，还可以减少孔口应力的影响范围。新型螺栓连接由于最大应力处于转换连接件内，可避免结构构件本身产生集中应力，且转换连接件本身易更换，因此可延长结构的实际使用年限。
Claims (6)
1.一种的连接装置，包括第一构件、第二构件以及将所述第一构件与第二构件固定的紧固件，其特征在于：还包括一外形为椭圆形的转换连接件，在所述第一构件和第二构件上均设置有椭圆形的连接孔，所述第一构件和第二构件套在所述转换连接件上并通过紧固件固定，所述椭圆形连接孔的长轴与所述第一构件和第二构件的主拉、压应力平行，所述椭圆形连接孔的短轴与所述第一构件和第二构件的主拉、压应力垂直。
2.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于： 所述椭圆的曲率半径根据实际工程要求以及小孔应力集中系数曲线共同确定。
3.根据权利要求2所述的连接装置，其特征在于：所述转换连接件的厚度与所述第一构件和第二构件的厚度之和相等。
4.根据权利要求2所述的连接装置，其特征在于：所述紧固件包括螺栓和螺母。
5.根据权利要求4所述的连接装置，其特征在于：所述紧固件还包括垫片。
6.一种连接方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述连接装置进行连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |