一種連接裝置及鏈接方法
【專利摘要】本發明公開了一種連接裝置，包括第一構件、第二構件以及將所述第一構件與第二構件固定的緊固件，其特征在于：還包括一外形為橢圓形的轉換連接件，在所述第一構件和第二構件上均設置有橢圓形的連接孔，所述第一構件和第二構件套在所述轉換連接件上并通過緊固件固定，所述橢圓形連接孔的長軸與所述第一構件和第二構件的主拉、壓應力平行，所述橢圓形連接孔的短軸與所述第一構件和第二構件的主拉、壓應力垂直。所述裝置即可作為結構構件的連接裝置，亦可只使用橢圓形螺栓孔以滿足構件工藝或功能性開孔需求。與現有技術相比，本發明可以有效緩解構件螺栓孔處的集中應力，降低疲勞荷載對構件的影響程度。
【專利說明】
-種連接裝置及鏈接方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種緊固件W及開孔形式，尤其是設及各種結構構件之間的連接、加 固。
【背景技術】
[0002] 鋼結構作為建筑、橋梁、機械、航空航天、船舶等的主體結構，與人們的日常生活密 不可分。鋼結構是由鋼板、型鋼通過一些必要的連接組成的構件，各構件再通過安裝連接形 成整體結構。各連接部位應有足夠的剛度、強度和延性。除了鋼結構，近幾十年興起的復合 材料結構、組合結構等都需要可靠地連接使其具備整體性。因此選擇正確的節點構造和連 接裝置是各類結構設計中的關鍵環節。
[0003] 螺栓連接是各類結構中最簡單的一種連接形式，螺栓連接由于具備安裝方便，可 拆、裝等優點，成為了當代各類結構中最重要的連接形式之一。隨著螺栓連接技術的發展與 改進，螺栓連接逐步由粗制螺栓發展成精制螺栓W及技術較為先進的高強螺栓。其中高強 螺栓W其連接緊密、耐疲勞、受力良好、安裝簡單、可拆換、相對普通螺栓變形較小的特點而 被廣泛使用。
[0004] 本發明的靈感直接來源是為了解決一體化蜂窩板彎曲過程中在底板開孔處出現 的應力集中現象。一體化蜂窩板具有輕質、高強、穩定的力學特性。但由于目前制作一體化 蜂窩板的過程中會在一側蜂窩面上留下工藝小孔。當蜂窩板受彎時，下面板會處于受拉狀 態。而有孔面處于此狀態時，開孔處會產生集中應力，導致蜂窩下面板首先在開孔處產生裂 縫，并最終擴散至整個下面板。因此有孔面朝下時，蜂窩板的抗彎強度僅為有孔面朝上時的 =分之一。當下面板采用楠圓形開孔時，開孔處的應力集中現象將明顯得到緩解。
[0005] 在實際工程中的各類結構，由于工作環境復雜，不可避免的直接或間接承受動力 荷載或是疲勞荷載。對于各類結構破壞事故的統計中，疲勞破壞(包括高溫疲勞、腐燭疲勞、 接觸疲勞、熱疲勞等)經常處于首位，可占到50%到90%。美國材料試驗學會定義的疲勞為： 材料上某一點或多點上產生了變化的應力應變，在經過了足夠次數的變化之后最終產生了 裂紋或者是完全斷裂，其結構發生漸進且永久變化的過程。構件在荷載的反復作用下，應力 若超過一定極限時，在應力較大的部位會出現細微的疲勞裂紋，運個過程中構件的截面不 斷削弱直到最終斷裂。構件在發生疲勞破壞之前沒有顯著的變形，是一種突然發生的脆性 斷裂。雖然螺栓孔一般為圓形，缺口處較為平滑，但依然會出現嚴重的應力集中現象。該缺 口處的應力集中會導致構件連接處在疲勞荷載下出現疲勞裂縫，其螺栓孔(缺口）破壞時的 應力遠低于材料本身的強度，使得各類結構的實際使用年限遠低于其設計使用年限。而新 型螺栓連接裝置及其特有的楠圓形開孔可W有效緩解由于構件開孔所導致的應力集中問 題。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是針對上述傳統圓形開孔W及圓形螺栓孔在連接中 出現的應力集中問題，特別是直接承受動荷載或是疲勞荷載的構件。由于缺口處的應力集 中程度與該處曲率有關，因此對于一些特殊受力構件，即構件中的最大拉、壓應力具有明顯 的方向性，則可W通過將傳統的圓形螺栓孔設計為楠圓形螺栓孔，并使得楠圓形的長軸與 構件中最大應力方向垂直，W此有效緩解構件缺口處的應力集中現象。通過設置轉換連接 件，W兼容現有的傳統螺栓連接體系，保證新型螺栓連接的易用性和通用性。并且，該轉換 連接件易更換，維護費用低，減少主體結構產生細微的疲勞裂紋，延長主體結構的實際使用 年限。W下通過有限元模擬分析，說明楠圓形螺栓孔對孔口處應力集中的緩解程度。
[0007]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[000引一種連接裝置，包括第一構件、第二構件W及將所述第一構件與第二構件固定的 緊固件，其特征在于:還包括一外形為楠圓形的轉換連接件，在所述第一構件和第二構件上 均設置有楠圓形的連接孔，所述第一構件和第二構件套在所述轉換連接件上并通過緊固件 固定，所述楠圓形連接孔的長軸與所述第一構件和第二構件的主拉、壓應力平行，所述楠圓 形連接孔的短軸與所述第一構件和第二構件的主拉、壓應力垂直。
[0009] 所述楠圓的曲率半徑為:楠圓形螺栓孔可根據實際構件的要求W及圖7的小孔應 力集中系數曲線，通過改變長短軸比例調整孔口曲率W滿足實際工程中構件對孔口應力集 中程度的要求。
[0010] 所述轉換連接件的厚度與所述第一構件和第二構件的厚度之和相等。
[0011] 所述緊固件包括螺栓和螺母。
[0012] 所述緊固件還包括墊片。
[0013] 轉換連接件外形為楠圓形，內部開圓形螺栓孔，圓形螺栓孔孔徑由螺栓直徑決定， W兼容現有的螺栓連接體系。
[0014] 本發明新型螺栓連接是一種有效緩解螺栓孔缺口處集中應力，控制結構構件在動 荷載或疲勞荷載作用下的構件損傷。包括楠圓形螺栓孔、螺栓、螺母、A墊片、B墊片W及轉換 連接件。楠圓形螺栓孔內放置轉換連接件，該連接件外形為楠圓形，內部開圓形螺栓孔，W 兼容現有的螺栓連接體系，且放置在楠圓形內的轉換連接件可更換。在轉換連接件兩側，每 側均放置若干個半徑不等的墊片，且靠近轉換連接件的墊片半徑大，遠離轉換連接件的墊 片半徑小。由上述可知，用新型螺栓連接裝置代替傳統螺栓連接方案，可明顯降低構件孔口 處的集中應力，減少主體結構產生細微的疲勞裂紋，延長主體結構的實際使用年限。在傳統 的螺栓連接中，螺栓孔的孔徑較小，即曲率較大。構件連接處的孔口應力集中系數與曲率有 很大的關聯。表現為：曲率越大，則應力集中系數越大。實際工程中，對于各類結構破壞事故 的統計中，由于構件強度不夠或是變形過大導致的破壞事故數量遠小于疲勞破壞。構件在 荷載的反復作用下，應力若超過一定極限時，在應力較大的部位會出現細微的疲勞裂紋，所 W構件在發生疲勞破壞之前沒有顯著的變形，是一種突然發生的脆性斷裂。因此無論是對 建筑、橋梁、航空航天或是船舶等結構構件，螺栓孔處的集中應力對疲勞破壞的影響不可忽 視。而本發明可W有效緩解構件螺栓孔處的集中應力，降低疲勞荷載對構件的影響程度。
[0015] 本發明采用楠圓形螺栓孔代替傳統圓形螺栓孔，并在楠圓形螺栓孔中設置轉換連 接件，使得新型螺栓連接裝置能夠兼容傳統的螺栓連接系統，該新型螺栓連接裝置具有W 下作用：1、在最大拉、壓應力具有明顯的方向性時，將楠圓形螺栓孔的長軸與該應力方向一 致，則可有效降低螺栓孔口出的集中應力，可W避免動荷載或疲勞荷載在主體結構中產生 細小的疲勞裂縫;2、在楠圓形螺栓孔中設置轉換連接件，可W兼容現有的螺栓連接體系;3、 轉件連接件中有圓孔，相對于構件中的楠圓形螺栓孔，連接件中的圓形螺栓孔更易發生應 力集中，因此會將動荷載或疲勞荷載對構件影響轉化為對該連接件的影響，W此保障主體 結構的耐久性。由于該連接件很小且屬于非主體結構構件，因此易更換。
【申請人】對上述新型 螺栓連接裝置進行=維有限元解析得，在荷載相同的情況下，新型螺栓連接裝置的孔口集 中應力比傳統螺栓連接裝置降低30 % W上。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明裝配示意圖；
[0017] 圖中編號：1為螺栓;2,9為墊片A;3,8為墊片B;4為轉換連接件;5為第一構件;6為 連接孔;7為第二構件;10為螺母。
[0018] 圖2為圖1裝配完成圖；
[0019] 圖3為圖1裝配完成后的側視圖；
[0020] 圖4為一體化蜂窩板受彎(工況1)時板中應力分布情況(跨中剖面圖）
[0021] 圖5為圖帥A、B兩點孔間應力分布圖；
[0022] 圖中編號：11為主應力O方向；12為楠圓長軸a,短軸b位置示意圖；13為楠圓開孔示 意圖。
[0023] 圖6為不同開孔形式下，圖帥A、B兩點孔間應力-曲率曲線；
[0024] 圖7為小孔應力集中系數Kr隨圖4B點曲率半徑的變化情況；
[00巧]圖8為工況下2應力云圖；
[0026] 圖9為圖6中A、B點之間應力分布；
[0027] 圖10為新型螺栓連接模擬剪切加載(工況3)示意圖；
[00%]圖11為新型螺栓連接處應力影響分布圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖，對本發明作詳細說明：
[0030] 圖1所示，本發明連接裝置，包括第一構件5、第二構件7、轉換連接件4W及緊固裝 置。其中，緊固裝置包括螺栓1、墊片A(2和9)、墊片B(3和8)、W及螺母10,其中墊片A的直徑 略小與墊片B的直徑。第一構件5和第二構件7相互連接位置分別開設有楠圓形的連接孔6， 轉換連接件4的外形也為楠圓形，當第一構件5和第二構件7連接時，首先將轉換連接件4放 置在連接孔6內，然后將螺栓1穿過轉換連接件并在另一端通過螺母10固定。
[0031] 本說明書中通過有限元軟件分為模擬3 =種工況下的開孔處應力大小來說明楠圓 孔的優越性。=種工況分別為：1.底板在不同開孔形式下的一體化蜂窩板受彎分析;2.開有 不同尺寸楠圓孔的鋼板拉伸分析;3.楠圓形孔的新型螺栓連接抗拉分析。本說明書中的連 接裝置尺寸依據構件連接的常用尺寸設置，采用材料為Q235B鋼。單獨使用螺栓孔滿足工藝 或功能要求時，詳細尺寸見表工況2，作為構件的連接裝置時，詳細尺寸見表工況3。其中1為 構件長度;h為構件寬度;a為楠圓形長軸;b為楠圓形短軸;r為圓形半徑。
[0032] 工況2(單位mm) 「00331 工況I:
[0036] 在一體化蜂窩板跨中加載豎向位移，使得蜂窩板處于彎曲狀態。由圖4,5可知，受 彎構件的受拉側，在開孔邊緣，與主拉應力O垂直的方向(A-B向）會產生集中應力;而當應力 集中處產生裂縫時，孔邊平行于主拉應力的方向仍處于彈性階段，使得材料性能不能充分 發揮。因此可W將小孔設置為楠圓形，在保持具有與圓形相同截面的前提下，設計其長軸b 與主拉應力方向一致，短軸方向a則與主拉應力方向垂直(圖5)。運樣即可減少小在X方向的 開孔尺寸，又能減小圖5B處的曲率，從而有效減小孔邊集中應力的影響，使得材料能夠充分 發揮，為實際工程中受孔口應力影響較大的構件提供切實可行的解決方案。圖6為不同開孔 尺寸下A、B兩點的應力分布。定義每條曲線的最大、最小應力值之比Kr為小孔的應力集中系 數，其中下表r指的是B點的曲率半徑。可知，隨著B點曲率半徑的增加，該點處的應力集中現 象明顯緩解。并將Kr隨r的變化曲線繪于圖7中，小孔的應力集中系數從K2的1.92下降到Kio 的1.28,下降幅度達50%。在實際工程中，可根據構件對小孔應力集中系數Kr的要求，調整 楠圓孔的尺寸。
[0037] 工況2:由于缺口處的應力集中系數與缺口的曲率W及應力方向有關。當結構構件 中的拉、壓應力具有明顯的方向性時，孔口處的產生集中應力的方向與應力方向垂直。因此 可根據主拉、壓的應力方向調整開孔曲率。在保持開孔面積不變或是構件截面面積不變的 情況下，減小開孔處的集中應力W及在反復動荷載作用下的疲勞損傷。W下通過有限元分 析軟件ABAQUS對開孔構件進行受拉分析，通過考察在構件中主應力具有明顯方向性時孔口 的應力狀態說明楠圓形開孔的優勢。通過ABAQUS解析，分別取開孔為圓形W及楠圓形的構 件開孔處的應力云圖如圖4所示。圖4中數字為該開孔形狀、尺寸下孔口處的最大應力 (Mpa),O為主拉應力方向。并取S種開孔形狀下A、B兩點之間路徑的應力狀態如圖5所示。可 知，圓、楠圓1、楠圓2，S種模型的最大應力相差57%，且A、B兩點之間最大應力與最小應力 之比Kr分別為2.25，1.56，1.11.可見隨著A、B點處的曲率不斷減少，在保持構件沿寬度方向 截面不變的情況下，可有效減少孔口處的應力集中系數。并且可根據構件尺寸、設計使用年 限、應力方向等因素調整楠圓長短軸比例W滿足結構構件的實際工藝與功能開孔需求。
[0038] 工況3:由于傳統的螺栓連接會在孔口處產生集中應力，特別是在構件承受動荷載 或是疲勞荷載的條件下，孔口的集中應力將導致細微的疲勞裂縫，影響構件的長期使用壽 命。運也是許多結構的實際使用年限遠低于設計使用年限的原因。在主應力具有明顯方向 性的構件中，設置楠圓形孔可W有效降低孔邊集中應力。并在此基礎上，通過轉換連接件將 楠圓螺栓孔與現行的傳統螺栓連接統一起來。使用有限元分析軟件ABA卵S對新型螺栓連接 與傳統螺栓連接進行剪切分析，通過對實際構件連接處的仿生模擬，觀察連接構件本身W 及螺栓連接處的應力分布，分析得到兩種情況下構件孔邊的應力放大系數W及孔口應力的 影響范圍。通過比較應力放大系數W及應力影響范圍說明新型螺栓連接的優勢。
[0039] 通過ABAQUS解析(見圖6加載模型），對構件A、構件B施加大小相等，方向相仿的水 平位移荷載。分別取螺栓連接處的應力影響分布圖如圖7所示，
[0040] 由有限元解析可知，新型螺栓連接中，構件的最大應力為137Mpa，傳統螺栓連接， 其構件中的最大應力為176Mpa，比新型螺栓連接裝置大28.5 %。且從應力影響分布可知，新 型螺栓連接裝置的應力影響范圍為Si,傳統螺栓連接裝置為S2。則由圖示范圍可知，Sl比S2 大40%。即說明，傳統的螺栓連接裝置，在荷載作用下，構件開孔處的集中應力影響范圍比 新型螺栓連接裝置大40%。因此新型螺栓連接除了可W明顯降低構件本身孔口最大應力， 還可W減少孔口應力的影響范圍。新型螺栓連接由于最大應力處于轉換連接件內，可避免 結構構件本身產生集中應力，且轉換連接件本身易更換，因此可延長結構的實際使用年限。
【主權項】
1. 一種的連接裝置，包括第一構件、第二構件以及將所述第一構件與第二構件固定的 緊固件，其特征在于:還包括一外形為橢圓形的轉換連接件，在所述第一構件和第二構件上 均設置有橢圓形的連接孔，所述第一構件和第二構件套在所述轉換連接件上并通過緊固件 固定，所述橢圓形連接孔的長軸與所述第一構件和第二構件的主拉、壓應力平行，所述橢圓 形連接孔的短軸與所述第一構件和第二構件的主拉、壓應力垂直。2. 根據權利要求1所述的連接裝置，其特征在于：所述橢圓的曲率半徑根據實際工程 要求以及小孔應力集中系數曲線共同確定。3. 根據權利要求2所述的連接裝置，其特征在于:所述轉換連接件的厚度與所述第一構 件和第二構件的厚度之和相等。4. 根據權利要求2所述的連接裝置，其特征在于:所述緊固件包括螺栓和螺母。5. 根據權利要求4所述的連接裝置，其特征在于:所述緊固件還包括墊片。6. -種連接方法，其特征在于，采用權利要求1-5任一所述連接裝置進行連接。
【文檔編號】F16B5/02GK105840602SQ201610395855
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】張曉明, 陳錦祥, 郭振勝
【申請人】東南大學