一、课题来源及设计（研究）目的：

1、课题来源简介：高强度螺栓连接是继铆接、焊接之后采用的一种新型钢结构连接形式。它具有施工简便、安装迅速、工作安全可靠等特点,特别适合于承受变载荷和动力载荷的重型机械结构,在起重机金属结构上得到了广泛的应用。GB3811一83《起重机设计规范》3.9.1.6条规定：对于需要在使用现场作整段拼接的大型结构宜优先采用高强度螺栓连接。《起重机设计规范》3.9.4.4条又规定，普通螺栓连接只允许用在次要构件的连接中。所以常见的桥，门式起动机及塔式起重机主要的螺栓连接部位都应采用高强度螺栓连接。但高强度螺栓连接有其特殊要求，否则会影响起重机的安全使用。随着城市的发展高层建筑俱增，塔式起重机的使用越来越广泛。然而由于对高强度螺栓的不正确使用，使高强度螺栓疲劳断裂和连接失效成为塔式起重机较为隐蔽的事故形式，甚至在正常操作下发生倒塔事件，造成群死群伤的突发性事故。少数厂家在起重机主要连接部位采用了普通螺栓连接，这是极为危险的。因为普通螺栓有粗制和精制之分。普通精制螺栓的尺寸准确，孔径比螺径大0.3mm，受截后连接变形小，但造价高，且安装起来不方便，其在起重机金属结构中很少使用。而普通粗制螺栓尺寸不准，孔（冲孔或钻孔）往往比螺栓外径大1-2mm，，受载后连接部分有滑动，变形大。高强度螺栓连接具有预紧力，靠由预紧力产生的摩擦力传递载荷，

二.设计（研究）目的

塔式起重机高强度螺栓的使用情况，目前是一种无奈的现状，如何更好的利用好高强度螺栓，让它发挥应有的作用是涉及塔式起重机设计、制造、使用的人都应考虑的问题。本次塔式起重机高强度螺栓设计主要解决三大问题，即螺栓的设计问题，松紧问题，和曝废问题。也可以概括起来有四个部分，即螺栓尺寸设计，寿命设计，高强度螺栓的防松措施，螺栓的预紧力。塔式起重机主要承受塔机上部传来的压力，扭矩，弯矩和水平载荷。

对塔式起重机工作工况进行载荷分析，选择最不利工况的载荷来对塔身高强度连接螺栓进行设计，校核。若螺栓的强度一定,减小螺栓中力的幅值有助于提高螺栓寿命.在选择螺栓联接件的材料时,还可以考虑从螺栓和被联接件的变形刚度出发,螺栓选用变形较大的材料,而被联接件选用刚性较好的材料,这样可以使螺栓的变形线较平,而被联接件的变形线较陡,应力的幅值变小，从而提高高强度螺栓的使用寿命。

而联接螺纹本身具有自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱；但在冲击，振动和交变载荷作用下，螺纹副间的摩擦力可能发生瞬时消失现象，从而导致连接松脱。在高温或温度变化较大的场合，由于螺纹紧固件和被连接件的材料发生蠕变和应力松弛，也会使连接件中的预紧力和摩擦力逐渐减小，因而也可能发生连接松脱现象。因此，设计时必须考虑放松。防松的本质是防止螺纹副的相对转动。放松措施有摩擦防松，机械防松等。机械放松比摩擦防松可靠，对于重要的螺栓连接应采用机械防松，高强度螺栓连接应采用机械防松。

设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）：

不论普通螺栓还是高强度螺栓，其受力时的连接情况分为以下三种：

1）受剪连接

2）螺栓轴向受拉连接

3）同时承受剪力和轴向拉力的连接

不同的是，普通螺栓是按螺栓本身的强度来承受剪力与拉力的，而摩擦型高强度螺栓是以张拉力P或（P-1.25N)来达到其抗剪能力的。在我国规范中以0.8P作为既受剪又受拉的高强度螺栓抗拉承载力值。当剪力很大时，无论其轴向是否受拉，采用摩擦型螺栓都是正确的，我们要研究的是当剪力很小时的节点受力情况。以往很长一段时期，在屋面，楼面有较大荷载的钢结构连接中，采用的是摩擦型，承拉型高强度螺栓，长期的经验加上教课书的指导，人们形成了一种固有的观念，高强度螺栓必然有摩擦面，张拉力P。

本次毕业设计的重点和难点主要有以下几方面，高强度螺栓的尺寸设计，高强度螺栓的使用寿命问题，防松应对措施，和螺栓的预紧力。下面分别指出每一部分的设计重点与难点。

螺栓尺寸设计应该是最为基本的一项工作，也为以后其他设计部分作为基础，因为螺栓的尺寸结构大小，会影响螺栓的使用寿命，预紧力大小和螺栓的防松措施。因此，本次毕业设计中应当非常重视。

在工作中状态中，螺栓和连接套承受着交变载荷，对于任一特定的时刻，螺栓始终处于拉伸状态，而连接套则处于压缩状态，因此可以把螺栓连接视为一个弹性体系，图2表示其受力特性。图2b中的表示这个连接体系只作用预紧力的情况。此时，螺栓中所受的拉力和连接套结合面所受的压法兰的弹性系数为k2（N╱m),Δ1,Δ2分别表示螺栓和连接套在预紧力作用下的变形，在无外载荷作用的情况下，螺栓的预拉力F1等于连接套的预压力F2，即预紧力F1=F2=k1Δ1=k2Δ2.4减少，连接套的压缩量进一步增加，螺栓的伸长量的减少值和连接套压缩量增加值相等，也可用Δ表示。用F1，F2分别表示在外载荷F作用下螺栓的拉力及连接套结合面所受的压力，即有

F1=k1(Δ1＋Δ)

F2=k2(Δ2＋Δ)

由静力平衡条件

F=F1-F2=（k1＋k2)Δ

上述计算也可用图2d表示。

塔式起重机塔身主要承受塔机上部传来的压力、扭矩、弯矩和水平载荷，是一个典型的压弯构件。对塔机工作工况与非工作工况进行载荷分析，选择最不利工况的载荷来对塔身高强度连接螺栓进行设计、校核。每个主弦杆上单个螺栓受力为k1＋k2

FΤ=r1r2（M／√2b-Fv／4)／Zi

式中r1螺栓结构形式所产生的不均系数，如在主弦杆两角对称放置，可近似取1，如在主弦杆3个角上放置，可根据各自的位置对应塔身中心的距离确定；

r2因预紧力矩控制不一致所产生的不均系数；

M所计算的连接螺栓所在平面以上的弯矩；

b塔身中心截面尺寸；

FV所计算的连接螺栓所在平面以上的重力；

Zi所计算主弦杆上连接螺栓的数量。

求出FT后再根据螺栓强度计算公式进行校核。

对塔式起重机塔身连接高强度螺栓进行了力学分析后，可以建立有效的有限元模型。为了节约分析时间，同时不失分析的真实性，建立模型时只对单根主弦杆的连接螺栓组进行分析。

图3有限元模型

在三维CAD软件中建立几何模型并导入Ansys中进行分析。分析时选择合适的单元、设置适当的实常数、定义材料、划分网格后，施加合理的力学边界条件及位移边界条件，选择求解器之后便可求解。有限元网格模型见图3。

（1）单元选择、实常数设置、材料定义和网格划分。图4中，实体单元为solid45用于连接套和螺栓，该单元具有8节点，每节点3自由度，即沿x、y、z方向平动，可以模拟塑性、膨胀、应力刚化，大变形及大应变；预紧单元Prets179，用于螺栓；接触对定义Target170，Contact173，主要应用于螺栓与垫圈接触，连接套与连接套接触。材料定义弹性模量E=2.11011Pa，泊松比u=0.3，材料密度ρ=7850kg/m3。将实体分割、然后粘接，定义网格大小为0.005m，扫描成8节点6面体单元。

（2）预紧力及边界条件处理。施加预紧力的方式主要有：

①定义预紧单元prets179，在载荷步1施加预紧力，在载荷步2锁住后施加工作载荷；

②通过设置温度或设置初始应变进行定义。本文分析采取定义预紧单元的方法，在处理边界时，垫圈与连接套可认为无相对滑动，接触行为可定义为绑定接触，可采取拉格朗日乘法函数法进行计算，并进行高斯诊断，判断接触状态；上下连接套接触面比较粗糙，且存在相对滑动的趋势，接触行为可以定义为粗糙形式，摩擦系数为0.2[1]；上连接套端面进行加载，下连接套端面施加面约束。边界定义及处理后的模型见图4。

4实例分析

以某塔式起重机高强度螺栓连接副为例进行分析。已知螺栓规格为M36、10.9级，若取高强度螺栓材料屈服强度的70%来计算预紧力，根据螺栓截面积，可得F1=515kN。施加预紧力后的螺栓组应力云图如图5，由于结构不完全对称，螺栓产生微小偏斜，螺栓产生的应力为587MPa。在外载荷F=180kN作用下，其应力云图为图6，螺栓部分应力云图见图7。

在该状态下可以判断螺栓的安全性能

N=σ,σs

式中σ螺栓计算应力，608MPa；

σs螺栓屈服强度，对于10.9级螺栓

σs=900MPa。可得n=1.48，大于1.34，连接可靠性可以得到保证

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二、设计（研究）进度计划：

2014年12月1日-2014年1月17日,完成论文选题和论文资料收集工作;

2015年3月4日-2015年3月20日,完成论文开题和提纲写作工作;完成外文翻译

2015年3月21日-2015年4月21日,完成论文第一稿;

2015年5月,修改并提交论文,准备论文答辩;

2015年6月论文答辩,如有特殊情况不能按时参加答辩的,请及时报告指导教师,并由指导教师另行安排答辩;

三、参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].北京，化工出版社2000.3

[2]席瑞萍.塔式起重机整机系统动力学仿真研究[D].太原科技大学.2009

[3]李增刚编著.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社.2006

[4]马功勋.工程力学[M].南京，东南大学出版社2002.7

[5]范俊祥，陆念力.塔式起重机[M].中国建材工业出版社2004.7

[6]胡宗武，顾迪民.起重机设计计算[M].北京，科学技术出版社1989.8

[7]戈晓岚，王特典.工程材料[M].南京，东南大学出版社，2000

[8]侯兆新.高强度螺栓连接设计[M].施工中国建筑工业出社,2000

指导老师意见：

签名：

年月日

课程中心（专业）意见：

课程中心（专业）（签章）：

年月日