单销连接可靠性设计计算方法.pdf

第2 5 卷第 4,1 t)I 2 0 0 4年 7月 兵 工 学 报 ACTA ARM A，匝 NTARI l Vo 1 2 5 NO 4 J u 1 2 0 0 4 单销连接可靠性设计计算方法 张银龙常大民沈庆(解放军理工大学工程兵工程学院)摘要构件的可靠性设计是考虑构件可靠性的概率设计方法，本文根据结构可靠性设计理论，讨论 了单销连接的可靠性实用计算方法。针对单销及耳板承受剪切、挤压、弯 曲等不 同工况条件，通过分析 二者受力和失效形式，确定相应的可靠性设计准则，给出其设计计算公式和设计步骤，为其可靠性设计 提供 了一种有效而可行的计算方法。关键词机械设计；单销连接；可靠性设计；实用计算方法 中图分类号U 4 4 1 7 构件的可靠性设计是考虑构件可靠性的概率设 计方法，是现代设计方法之一。在结构设计 中常以 强度、刚度、寿命等作为设计准则，要用到强度、刚度 及寿命计算公式等。在这些设计公式中常常包含一 些变量，是在一定范围内取值的随机变量。事实上，荷载效应和结构抗力均受各种偶然因素的影响，都 是随时间或空间变动的随机变量。从概率论的观点 出发，在结构设计 中应 当考虑上述变量的随机性。以结构构件的荷载效应和抗力这两个随机变量来表 达结构的功能函数是进行结构可靠性概率设计的基 本依据 j。本文对荷载效应 和抗力均服从 正态分 布时单销连接可靠性设计的实用计算方法进行了分 析探讨。1 单销连接的可靠性设计【2-4 单销连接是渡河桥梁器材 中广泛采用的一种连 接方式，具有结构简单、连接迅速等优点。目前使用 最多的是单双耳形式(如图 1 1)l 2 l。单销连接的受力情况比较复杂：单销主要受剪、受弯以及承压；耳板在孔壁承压，在孔侧、孑 L 端截面 受拉，且截面上的拉应力分布很不均匀，存在较大的 应力集 中现象。根据等强度理论和国内外的研究成 果，军用桥梁设计准则(G J B l 1 6 2 9 1)对单销连接 的合理尺寸作了如下规定：=(0 4 0 5)d：2 0 0 3年 3月收稿，2 0 0 4年 5 月定稿。图 1 1 单销连接的形式及尺寸 Fi g 1 1 S h a p e a n d d i me n s i o n s o f a p i n c o n n e c t io n k l d；3 2=(1 82 0)l=k l k 2 d；a 1=(0 7 5 0 8)=k 3 d；a 2=(0 8 1 2)=k 4 d；b=(2 5 2 6)d；e=(C 2)2=(23)m m；D d=(1 0 1 5)m m 由此可见，单销的各部分尺寸是以 单销直径 d为基准决定的，因此，单销连接的设计主 要是确定单销直径。鉴于单销连接复杂的受力状况，需要对单销受 剪、受弯，耳板承压及耳板孔端、孔侧抗拉等分别进 行可靠性设计计算。1 1 单销受剪时的设计计算(1)假设单销承受交变工作荷载，由于其直径 较小或材料强度较低，单销的横截面上将产生过大 的剪应力而被剪断，即失效形式为剪断。此时设计 准则为单销的剪应力小于剪切疲劳强度的概率必须 大于或 等 于设计所 要求 的可靠度 P，可表 示 为 P(r r)=P(rr0)P，式 中，r 单销材 咖 露 维普资讯 第 4 期 单销连接可靠性设计计算方法 4 7 3 料的剪切疲劳强度极 限(MP a)；r 单销的剪应力(M P a)(2)选择单销材料，确定强度分布(一般为正态 分布)，查出屈服极限 s 由经验公式有 i=0 5 a s，单销 材 料 剪 切疲 劳强 度 极 限 的标 准 差 为 o r=0 0 8 (3)确定单销剪应力分布 单销横截面面积均值 A 为A=7 r d 4；其标准 差为 Cr A=7r&r D 2，式中 d单销剪切面直径(mil 1)根据单销直径制造公差计量，单销直径 d与其 标准差 之间的关系为G D=0 0 0 2 d 单销剪应力均值为：式中，N，1 丌 单销承受的实际计算 内力；单销受剪面数，对单 双耳连接取=2 剪应力标准差为：N +()(d )1 2 式 中，G d 2=2 d cr D=2 d 0 0 0 2 d=0 0 0 4 d：G N=0 0 6 N (4)按联结方程(1 1)求解单销直径 d：)I+l 根据所要求的可靠度 P 值，查标准正态分布表，得 联结系数 z值。将有关参数 z、r、r、值代人(1 1)式，即可求得单销直径 d 1 2 单销或耳板孔壁受挤压时的设计计算(1)单销或耳板孔壁因受挤压而压溃也是单销 连接一种主要失效形式，设计准则为单销或耳板孔 壁的挤压应力。小于其相应材料的挤压强度 P。的 概率必须大于或等于设计所要求的可靠度 P ，可表 示为 P(。P。)P 式中，P。单销或耳板的挤 压强度(MP a)；单销或耳板孔壁上 的挤压应力(MP a)，。=N d 8 2(单耳板)，或。=N 2 1(双 耳板)。由于一般情况下单销材料的强度高于耳板材料 的强度，且双耳板的总厚度都大于单耳板厚度，因此 可仅以单耳板孔壁受挤压进行设计计算。(2)选择耳板材料，确定挤压强度分布(假设服 从正 态分 布)，查得极 限应力(对钢材取屈服极 限)，确定 P。由经验公式有 P。=1 ，挤压强度的 标准差为=0 0 8 P (3)确定耳板孔壁 上的挤压应力分布为=一N一 d6 2 kl k2 d2 挤压应力的标准差为=(1 k 1 k 2)N：+(d )()(4)按联结方程(1 2)求解单销直径 d：z：(1 2)一 +2 将有关参数 Z、P。、。、值代人(1 2)式，即可 求得单销直径 d 1 3 耳板孔端及孔侧受拉时的设计计算(1)由于耳板较薄，耳板孔端或孔侧宽度较小，耳板在孔端或孔侧截面被拉断是单销连接的又一种 失效形式，设计准则为耳板孔端或孔侧 的拉应力 小于其相应材料的抗拉强度 P 的概率必须大于或 等于设计所要求的可靠度 P ，可表示为 P(P )尸 式中，P 耳板 的抗拉强度(M P a)；耳板孔 端或孔侧截面上的拉应力(MP s _)，o-=N a 2 8 2(孔 端截面)，或=(1 4 N)2 a l 8 2(孔侧截面)，式 中 1 4是考虑了孔侧 的应力集 中而将荷载放大的系 数。(2)根据耳板材料确定抗拉强度分布(假设服 从正态分布)，查得极 限应 力(对钢材取屈服极 限)，确定 P 由经验公式有 P =0 8 a ，抗拉强度的 标准差为 Cr p=0 0 8 P (3)确定耳板孔端截面的拉应力分布为=一 a 2 6 2 一 kl k 2 k 4 d2。孔 端 截 面 拉 应 力 的 标 准 差 为 靠=(1 k l k 2 k 4)N o-2 2+(d )(d )(4)按联结方程(1 3)求解单销直径 d：z：一 等 (1 3)一 一 刍+2 j 将有关参数 Z、P 、。、G p、值代人(1 3)式，即可 求得单销直径 d (5)确定耳板孔侧截面的拉应力分布为=一 2 l 2 k1 k，ks d2。孔 侧 截 面拉 应 力 的 标 准 差 为 靠，=(0 7 k l k 2 k 3)N ：+(d )(d )2 (6)按联结方程(1 4)求解单销直径 d：一 毫(1 4)维普资讯 4 7 4 兵 工 学 报 第2 5 卷 将有关参数、尸 、O a，值代人(1 4)式，即可 J t 求得单销直径 d 1 4 单销受弯时的设计计算(1)当耳板较厚，单销直径相对较小时，单销将 产生较大的弯曲变形，可使双耳板出现张口过大，以 致单销从孔 中脱 出，造成单销连接破坏，这是单销连 接的又一种失效形式，设计准则为单销的弯曲应力 b 小于其相应材料的抗弯强度 尸 b 的概率必须大于 或等于设计所要求 的可靠度 P ，可表示为 P(P b)P 式中，P b 单销的抗弯强度(MP a)；仃 b 单销 截面上的弯曲应力(MP a)考虑单销受弯时，可将单销看作简支梁，此简支 梁的跨度 为双耳板轴线问的距离，荷载则简化为 与单耳板宽度相同的均布荷载，见图 1 2。图 1 2 单销受弯计算简图 Fi g 1 2 S i mp l i f i e d s k e t c h o f a p i n c o n n e c t i o n (2)根据单销材料，确定单销的抗弯强度 尸h 由经验公式得 P b=1 3 5 a ，。=0 0 8 P b (3)确定单销计算截面的弯 曲应力分布为=M W 式中，M=(N 8)(2 l 一 2)为单销计算截 面弯矩，=C+l=(4 6)r n+2+1=k +k 1(1+k 2)d；W=7 c 32为单销计算截面的抵抗 矩。所 以有=N(2 1一 2)8 (Tr d 3 2)=4 N 1(2+志 2)+2 走 5 单销 计算 截 面 弯 曲 应 力 的标 准 差 为(T cr=(4 7 c)4 N k 1(2+k 2)d+3 k 5 O 2D d +k 1(2+k 2)d +2 k 5 d (4)按联结方程(1 5)求解单销直径 d：一 孝静 5 将有关参数 z、P b、值代人(1 5)式，即可 求得单销直径 d 5 最后，l：h 较 d 1、d 2、d 3、d 4 及 5，取其 中最大值 作为所求的单销直径 d，当然还需要满足一定的规 格和模数。2 示例 例 1 某军用可分解钢桥的单销连接的目标可 靠度为 P =0 9 9 9 8，荷载 服从 N(3 3 0，1 9 8)k N，耳板材料为 9 0 2钢，：5 2 5 N 2，单销材 料为 4 0 C r 钢，=7 2 0 N H 试确定此连接的各 部尺寸。假定 k l=0 5，k 2=2 0，k 3=0 8，k 4=1 2，k 5 =6 m m；根据上述步骤可求得 dl=2 9 3 1T IIT I，d 2=2 7 7 l-n i n，d3=31 1 T II T I，d4=3 1 8 1T I I T I，d5=3 8 3 ln lT 1，所以取 d=一=3 8 3 m m；根据模数及规格 的要求可取 d=4 0 ra m，则 l=2 0 m m，8 2=4 0 ra m，a 1=3 2 mm，a 2=4 8 ram，b=1 0 5 ram，C=4 6 ram，d =4 0 ram，D=41 r i ma 例 2 某军用 可分解钢桥的单销 连接(如 图 1 1)，各部尺寸如下：1=1 8 ram，2=3 4 ra m，a l=3 7 5 r i ma，a2=5 3 ram，C=4 0 ram，d=4 4 ram，D=4 5 mm材 料 同上 例，承 受 正 态 分 布 拉 力 N(5 6 0，3 3 6)k N，试确定此连接的可靠指标 和可 靠度 P 将各已知条件代入(1 1)式(1 5)式，分别得 至 0 Z 1=一5 6 9 9，Z 2=一4 6 3 2，Z 3=一2 8 4 1，Z 4 =一2 9 3 5，Z5=一3 2 4 4，取 Z=Z，=一2 8 4 1，贝 0 J9=一Z=2 8 4 1，P =0 9 9 7 5 3 结论 单销连接可靠性设计实用计算是通过分析单销 及耳板的受力和失效形式，确定相应的可靠性设计 准则。根据上述单销连接可靠性设计实用计算方 法，应用联结方程，可由已知条件求解单销连接所具 有的可靠指标 和可靠度 P 的值；也可以根据实际 需要给出单销连接所要求的目标可靠度求解单销的 直径，然后进一步确定其它各部分的尺寸。参 考 文 献 1 吴世伟 结构可靠度分析 北京：人民交通 出版社1 9 9 0 7 7 8 O 2 牟致忠 机械零件可靠性设计北京：机械工业出版社 1 9 8 8 2 5 3 2 5 8 3 常大民 工程结构 南京：工程兵工程学院出版社 1 9 9 3 4 2 8 、一 I 1 维普资讯 第 4 期 单销连接可靠性设计计算方法 4 7 5 CoM PUTATI oNAL M ETHoD FoR THE RELI ABI LI TY DES I GN oF PI N CoNNECTI oNS g h a n g Y i n l o n g C h a n gDa r n i n S h e n Qi n g (E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e r C o r p s，P L A Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y)Ab s t r a c t Th e r e l i a b i l i t y d e s i g n o f a s t r u c t u r a l me mb e r i s a p r o b a b i l i t y d e s i g n t a k i n g i n t o c o n s i d e r a t i o n t h e r e l i a b i l i t y o f t h e me mb e r，a n d i s o n e o f t h e t r e n d s i n mo d e r n d e s i g nB a s e d o n t h e t h e o r y o f s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y d e s i g n，t h e p a p e r d i s c u s s e d a u t i l i t y c o mp u t a t i o n a l me t h od f o r t h e r e l i a b i l i t y d e s i g n o f p i n c o n n e c t i o nAf t e r a n a l y z i n g t h e l o a d i n g a n d f a i l u r e mode s o f t h e p i n a n d l u g p l a t e u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s o f p i n c o n n e c t i o n s u c h a s s u s t a i n i n g s h e a r，e x t r u s i o n a n d b e n d i n g e t c ，t h e p a p e r g a v e c o r r e s p o n d i n g r u l e s o f t h e r e l i a b i l i t y d e s i g nTh e n c o mp u t a t i o n a l f o r mu l a s a n d s t e p s for t h e r e l i a b i l i t y d e s i g n o f t h e p i n c o n n e c t i o n we r e wo r k e d o u t a n d f e a s i b l e a n d u s e f u l c o mp u t a t i o n a l me t h od s we r e p r o v i d e d o n t h e r e l i a b i l i t y d e s i g n o f t h e p i n c o n n e c t i o n Ke y wo r d s ma c h i n e d e s i g n，p i n c o n n e c t i o n，r e l i a b i l i t y d e s i g n，u t i l i t y c o mp u t a t i o n a l me t h od 简讯 “光电子技术与装备信息化发展战略研讨会”在西安召开 中国兵工学会光电子专业委员会于 2 0 0 4年 6 月 2 5日至 2 7日在西安召开了“光电子技术与装备信息化 发展战略研讨会”，王兴治院士、焦明印博士、王煜成研高工、杨培根研高工分别在会上做了专题学术报告。会议围绕着光电子技术创新、核心技术、技改保障、发展战略、强化管理等内容进行了交流与探讨。代表在发 言中指出，光电子技术是装备信息化的主要技术手段，是帮助获取、识别、处理、利用、分发和保护信息的重要 支撑技术，是取得制信息权和战场胜利起着绝对关键的技术之一。促进光电子技术的发展，有利于装备控制 数字化、智能化、高新技术化，有利于缩短装备研制周期，从而推动装备信息化的发展。与会代表指 出，发展 光电子技术需要科技人员的共同智慧。这次研讨会为科技工作者搭建 了学术交流与技术合作的信息平台，从多方面显示了学术团体的作用，不仅加强了不同地区、不同部 门光电子领域的科技工作者的沟通与联系，通过学术交流，也将进一步推动我国光电子技术的发展，特别是光电子技术在装备信息化上的发展。(兵工学会光电子专业委 员会)维普资讯