摘 要

随着现代建造行业的不断发展，螺栓连接已经成为许多节点连接场合的首选方案，由于许多场合存在无法实现双侧操作的问题，各种形式的单边螺栓逐渐步入了人们的视野。

本文提出一种新型单边螺栓的技术方案，运用有限元软件ansys对这种新型的单边螺栓模型进行强度刚度分析，对不同结构参数下螺栓结构的受力进行了比较，所得结果对于单边螺栓结构优化具有重要的指导意义。

本文首先介绍本次设计所运用的软件ansys的主要功能及操作模块，接着介绍抗纵横向载荷单边螺栓的结构设计，在这过程中绘制了平面的CAD图纸和solidworks三维模型，并分析了这种单边螺栓结构上的特色，这是一种新型的单边螺栓技术方案。通过有限元软件模拟仿真进行模拟，分析清楚螺栓结构的应力应变状态，确定预紧力、拧紧力矩；并研究各结构因素对螺栓应力集中的影响；分析单边螺栓抗横向载荷、纵向载荷能力；在上述研究的理论基础上，结合前人对这两个方面所作的工作，对螺栓结构提出改进，从结构方面提出螺栓疲劳强度的优化方法。

论文主要研究了系列化的一组单边螺栓的结构设计；最佳预紧力、拧紧力矩的确定；不同结构参数对螺栓结构的影响；单边螺栓抗纵横向载荷能力。系列化的结构设计得出了这种单边螺栓的在不同规格下各零部件的尺寸，方便工厂批量加工；而不同规格的单边螺栓的最佳预紧力和拧紧力矩的确定使得建造现场单边螺栓的安装变的很方便，提高了生产效率；不同结构参数对螺栓结构的影响分析得出的一系列结论能够优化单边螺栓模型，提高单边螺栓的强度和寿命；抗纵横向载荷能力的确定为单边螺栓的安全性提供依据。

研究结果表明：确定一组螺纹套筒螺纹直径10mm至14mm的单边螺栓的最佳预紧力并制成表格；分析得出单边螺栓所能承受的最大纵向载荷和横向载荷；改变开槽套筒裂槽根部的圆角及槽宽对螺栓结构受力有明显影响。

综上所述，本文就一种新型的能够抗纵横双向载荷的单边螺栓进行了系列化结构设计，对其最佳预紧力和结构优化做了具体的分析，对其纵横向所能承受的最大载荷进行了确定，具有很高的理论意义和现实意义。

关键词：单边螺栓；ANSYS有限元；结构优化；系列化设计

Abstract

With the continuous development of the modern construction industry, bolted connections have become the preferred solution for many node connection applications. Due to the fact that there are many problems that cannot be achieved on both sides, various types of unilateral bolts have gradually entered the field of vision.

This paper proposes a new type of unilateral bolt technology program, using finite element software ansys to analyze the strength and stiffness of this new type of unilateral bolt model, and compare the stress of the bolt structure under different structural parameters. The results obtained are for unilateral Bolt structure optimization has important guiding significance.

This article first introduces the main functions and operating modules of the software ansys used in this design, and then introduces the structural design of anti-vertical load unilateral bolts. In this process, plane CAD drawings and solidworks three-dimensional models are drawn and analyzed. This kind of unilateral bolt structure features a new type of unilateral bolt technology solution. Simulated by finite element software simulation, the state of stress and strain of the bolt structure was analyzed, the pretightening force and tightening torque were determined, and the influence of various structural factors on the stress concentration of the bolt was studied. The anti-transverse load and longitudinal load capacity of the unilateral bolt were analyzed. On the basis of the above research theory, combined with previous work on these two aspects, the improvement of the bolt structure is proposed, and the optimization method of bolt fatigue strength is proposed from the aspect of structure.

The dissertation mainly studies the serialized structure design of a set of unilateral bolts; the determination of the optimal preload and tightening torque; the effect of different structural parameters on the bolt structure; and the ability of single-sided bolts to resist vertical and lateral loads. The serialized structural design yields the dimensions of each part of the single-sided bolt under different specifications, facilitating the batch processing of the factory; and the determination of the optimal pre-tightening force and tightening torque of the different-sized single-side bolts makes the construction site The installation of unilateral bolts is very convenient and improves production efficiency; a series of conclusions from the analysis of the influence of different structural parameters on the bolt structure can optimize the unilateral bolt model, increase the strength and life of the unilateral bolts, and resist vertical and lateral loads. The ability to determine the basis for the safety of unilateral bolts.

The results of the study indicate that the optimal pre-tightening force of a set of threaded bolts with a thread diameter of 10 mm to 14 mm is determined and tabulated; the maximum longitudinal and lateral loads that the single-sided bolt can withstand are determined and analyzed; The roundness and width of the root of the sleeve slot have a significant effect on the force of the bolt structure.

In summary, this paper presents a series of structural designs for a new type of unilateral bolts capable of resisting vertical and horizontal bidirectional loads. A detailed analysis of its optimal pre-tightening force and structural optimization is made. The maximum load was determined and has a high theoretical and practical significance.

Key Words：Unilateral bolts;ANSYS finite element;structure optimization;series design

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状及工程应用 3

1.3 研究内容及目的 7

1.4 研究意义 8

1.5 本文主要工作与结构 9

第2章 ANSYS软件介绍 11

2.1 ansys简介 11

2.2分析类型 11

2.3 Mechanical介绍 13

2.4本章小结 13

第3章 一种新的单边螺栓的结构设计 14

3.1 结构设计 14

3.2 单边螺栓三维模型 16

3.3 单边螺栓各零部件系列化设计 20

3.4 本章小结 21

第4章 单边螺栓使用工况的比较及对应最佳施加预紧力的分析 22

4.1 有限元计算模型 22

4.1.1弹塑性材料模型 22

4.1.2 接触设置 23

4.1.3 网格划分 23

4.1.4 载荷和边界条件的设置 23

4.2 计算结果分析 24

4.2.1 结构的应力应变分布规律 24

4.2.2 最佳预紧力分析 24

4.3若干结构因素对螺栓受力的影响 30

4.3.1 裂槽根部圆角的影响 30

4.3.2 开槽套筒槽宽的影响 32

4.4 本章小结 36

第5章 单边螺栓危险截面及抗纵横向载荷能力分析 37

5.1危险截面分析 37

5.2抗纵横向载荷能力 37

5.2.1 抗纵向载荷能力分析 37

5.2.2 抗横向载荷能力分析 37

5.3螺杆的安全性分析 44

5.4 本章小结 45

第6章 环境影响和经济性分析 46

6.1 环境影响分析 46

6.2 经济性分析 46

第7章 总结与展望 47

参考文献 49

致 谢 51

第1章 绪论

1.1 研究背景

近年来，随着我国社会的不断发展，钢结构的应用需求越来越大，在高层住宅、大型体育场馆、桥梁、车站等等的建筑中都需要用到钢结构。而焊缝连接、螺栓连接或铆钉连接都常用于钢结构的连接中。

我国常使用现场手工湿作业来进行生产，但其缺点比较明显：（1）生产效率低下、建设周期长、（2）高能耗、环境压力大，(3)难以保证建筑的质量和性能，使用寿命周期难以实现，这无法满足现阶段可持续发展的要求，与经济高质高速的发展理念相违背。因此，如果要实现产业转型与升级，必须考虑新的方式。预制装配式建筑越来越成为现代建造方式的一大热门。“高度工厂预制，快速现场拼装”，这是装配式建筑的核心概念，另外，与其他结构形式相比，钢结构是最容易实现标准化、工厂化、系列化的结构。由此看来，预制装配式钢结构体系最能将预制装配式建筑的核心优势完全发挥，在现代的生产方式中最具发展潜力和推广价值。

主要有：安装方便，受力性能好。

螺母、螺杆等零部件组成了螺栓紧固件结构。安装时工人需要在一侧夹紧螺母或螺栓头，从另一侧用扳手拧紧螺栓头或螺母。这就要求被紧固物体两侧都能进行人工操作，但对于特殊应用场合，比如有一被连接件为封闭截面，普通螺栓的使用受到很大的限制。（如图1.1）一般国内现有的螺栓在达到这一要求时需要先对封闭截面进行开孔，安装完成后再将孔补焊。这样做不仅大大增加了焊接工作量，而且非常不方便现场安装。因此我们对于采用封闭截面的构件提出了更高的要求，需要研究出一种能够很好完成封闭构件连接的螺栓，这就是单边紧固螺栓。目前单边紧固螺栓一般不能拆卸、更换，限制了应用。

单边螺栓在国外又叫Blind bolt,而在国内常被翻译称作单向螺栓、单边螺栓、单向自卡螺栓、单边向锁紧螺栓、盲眼螺栓、盲孔螺栓、暗螺栓等,^[1]本文统一用单边螺栓进行表述，示意图见图1.2。

现在应用的单边螺栓多为国外专利所保护，售价高。国外单边螺栓单价大多在252元人民币左右，远远超过了同尺寸其他高强螺栓产品。此外，抗震规范中明确要求高强螺栓连接不得发生滑移，而无法较好施加预紧力是国外单边螺栓一大缺陷，此外在施加上也不能保证预紧力不会发生松弛。为此需要设计一种实用的单边螺栓，并且确定其应用预紧参数，以解决我国工程实际需要 。

图1.1封闭截面示意图

图1.2国外单边螺栓示意图

1.2国内外研究现状及工程应用

发展至今，单边紧固技术国内外已有许多相关发明专利，它们的作用原理主要可以分成两大类，一种是运用机构原理使螺栓端部机构能够展开形成单边支撑的，另一种则是基于材料特性使螺栓端部变形片变形从而形成单边支撑的，美国Zeidler早在20世纪40年代就已经注册了一项专利，他研究出一种应用材料变形来实现单边紧固的螺栓副，它采用了一个端头可变形的套筒，然后通过螺母的加紧使套筒端头发生变形从而实现单边紧固的效果，但是Zeidler并没有进行相关力学测试实验，也没有制定相关标准，因此这种螺栓并没有得到实际应用，美国Orloff等人在20世纪60年代提出了一个新的专利，它是基于材料特性的单边紧固螺栓，Orloff还特别对变形进行了研究,同一时期美国Henry等人还提出了一项单边螺栓专利工作片，它是依靠端头变形而实现单边紧固的,使用变形原理的单边螺栓和使用端头变形原理的单边螺栓各有其特点,它们对以后基于材料特性原理的单边紧固螺栓的改进与创新具有很高的参考价值。^[2]

自20世纪90年代以来，国外已经研发出多种用于钢构件连接的单边紧固件,例如美国Huck International公司的BOMHSBB和Ultra-Twist螺栓（ 图1.3 ）；荷兰Flowdrill B V公司的Flowdrill技术；英国Lindapter Internatinal公司的Hollo-bolt、 R M H（图1.4）和ＥＨＢ螺栓（图1.5）；澳大利亚Ajax Engineered Fasteners 公司的ＯＮＥＳＩＤＥＴＭ螺栓；英国Advanced Bolting Soultions公司的Molabolt螺栓；以及英国Blind Bolt公司的Blind Bolt等。^[2]

图1.3 Ultra-Twist螺栓 图1.4 RMH螺栓 图1.5 EHB螺栓

下面就这几种螺栓进行介绍。

1.BOM与 HSBB螺栓

BOM和HSBB是是美国胡克公司研制的两种单边螺栓，BOM有两个构件组成，有套管和螺杆；下图为BOM螺栓安装示意图

图1.6 BOM螺栓安装前后示意图

HSBB螺栓则由六个部分组成，包括有螺杆、可伸缩套环、垫圈、套环、第一套管、第二套管，其安装前后示意图如下

图1.7 HSBB螺栓安装前后示意图

可以看出，两类单边螺栓的紧固原理具有一些共同点:1）都由钢管壁外侧将螺栓头送入预留螺栓孔直至进入管内，2）随后用特制安装工具夹住螺杆尾部并开始向钢管柱外侧拉紧，在此过程中，螺栓头下方的BOM套管或HSBB第一套管受到挤压发生变形，在管壁内侧扩大形成内铆头顶住被连接板件。^[2]

2.Ultra-Twist螺栓和TCBB螺栓

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