设计指南查找紧固件组上的剪切载荷

当紧固件组上的负载偏心时，首要任务是找到组的质心。在许多情况下，模式将是对称的，如图 28 所示。下一步是将载荷 R 除以紧固件数量 n 以获得直立剪切载荷 Pc（图 29(a)）。接下来，找到

, 其中 rn 是每个紧固件距质心组的径向距离。现在计算关于质心的力矩（M=Re，来自图 28）。由力矩引起的特定紧固件的剪切载荷可以通过以下公式找到：

其中 r 是从质心到所讨论的紧固件（通常是最外面的紧固件）的距离（以英寸为单位）。请注意，这类似于扭转公式 F=Tr/J，除了 Pe 以磅为单位而不是应力。现在可以将两个载荷（Pc 和 Pe）矢量相加，如图 29(C) 所示，以获得每个紧固件上的合成剪切载荷 P（以磅为单位）。请注意，此处的紧固件区域都是相同的。如果它们不相等，则必须对区域进行加权以确定图案的质心。有关此主题的更多信息，请参阅参考资料。[16] 和参考文献。[17]。

查找紧固件组上的张力载荷

此过程类似于剪切载荷确定，不同之处在于紧固件组的质心可能不是几何质心。图 30 中所示的螺栓支架演示了这种方法。

八个紧固件的图案是对称的，因此每个紧固件的 Pi 拉力为 Pi/8。附加力矩 P2h 也会在某些紧固件上产生拉伸载荷，但问题是要确定支架从拉伸到压缩的“中性轴线”线。如果板厚到足以承受边缘 AB 处的整个力矩 P2h，则该线可用作回退点或中性轴。但是，在这种情况下，我采取了一种保守的方法，即：电路板不会弯曲并且会在 CD 线处倾斜。现在，

仅包括螺栓 3 至 8，并且（以英寸为单位）将从 CD 线测量。螺栓 7 和 8 将具有最高的拉伸载荷（以磅为单位），即 P=PT+PM，其中 PT=P1/8 和

表述这种关系的另一种方式是，螺栓载荷与其到枢轴的距离成正比，反作用扭矩与各个紧固件到枢轴的距离的平方和成正比。此时，施加的总拉伸载荷应与紧固件扭矩引起的总拉伸载荷进行比较。扭矩应足以超过最大施加的拉伸载荷，以避免接头松动或泄漏。如果支架几何形状难以确定其弯曲能力，则可能需要对支架本身进行有限元分析。

组合剪切和拉伸紧固件载荷

当紧固件同时承受拉伸和剪切载荷时，必须使用载荷比和相互作用曲线将组合载荷与紧固件的总强度进行比较。负载比为

图 31 中的相互作用曲线是一系列曲线及其对应的经验公式。最保守的是R1+R2=1，最不保守的是R13+R23=1。这一系列曲线来自旧版本的 MIL-HDBK-5。在最新版本中，它已被单个公式 RS3+RT3=1 取代（参考文献 [18]）。但是，如果设计在重量和应力方面比较保守，最好使用RT+RS=1。请注意，当达到螺栓剪切载荷时，相互作用曲线不考虑来自夹紧表面的摩擦载荷。在某些情况下，摩擦载荷可以大大降低螺栓剪切载荷。

图 31 [引文 1] 中紧固件的安全裕度为

取决于使用哪种曲线。但是，请注意

是实现正安全系数的要求。该公式还解释了为什么当主要载荷是剪切时不应向螺栓施加高扭矩。

安全裕度用于计算产量和可用材料的极限，将设计控制在最关键的值。屈服强度低的材料对屈服应力至关重要，而屈服强度高的材料通常对极限应力至关重要。

计算螺纹孔的拉出载荷

在许多情况下，一种材料的螺栓可以安装在另一种（通常强度较低）材料的螺纹孔中。如果需要螺栓的全部强度，则必须使用以下公式确定较弱材料的螺纹孔深度：

在，

P 拉出载荷（磅）

dm 螺纹孔的平均直径，以英寸为单位（= 螺纹的中径）

FS 材料极限或屈服剪应力

L 螺纹啮合长度（英寸）

系数 1/3 为经验值。如果螺纹完美配合，这个系数将是 1/2，因为孔的总圆柱壳面积将在螺栓螺纹和螺纹孔螺纹之间平均分配。1/3 用于允许线程之间的不匹配。

有关所需螺纹孔长度的更多信息，请参见参考文献。[19]。

计算“编号”紧固件柄直径

使用以下公式计算“数字”型紧固件的柄部直径：直径 = 0.060+0.013N 其中 N 是紧固件编号（4、6、8、10、12）。例如，8 号紧固件的柄部直径为直径=0.060+0.013*(8)=0.164 英寸

载荷中的紧固件组（剪切载荷）

只要有可能，剪切螺栓的抗剪强度应高于装配它们的材料在载荷下的屈服强度。由于螺栓在其各自的孔中具有一定的间隙和位置公差，因此板材必须在负载下屈服，以允许螺栓阵列在阵列中的给定位置均匀地加载所有螺栓。请注意，孔位置越小，单个螺栓在将载荷分配到模板之前必须承受的载荷就越大。螺栓和铆钉不能一起装载，因为铆钉通常采用过盈配合安装。因此铆钉将承受所有载荷，直到板材或铆钉屈服，从而允许螺栓承受一些载荷。这种策略也适用于某种形式的螺栓和销（或滚动销），因为这些销也具有过盈配合。

紧固件边距和间距

一种常见的设计实践是使用距 2D 紧固件孔中心的标称边距，其中 D 是紧固件直径。最大边距不应小于 1.5D。紧固件之间的标称距离为 4D，但连接材料的厚度可能是一个重要因素。紧固件之间的弯曲可能是薄材料的问题。只要紧固件之间的表面密封不成问题，就可以在较厚的板材上使用较宽的间距。

载荷和剪切允许的近似值

在不知道材料允许的特定剪切和承载能力的情况下，可以使用以下近似值：

合金钢和碳钢：Fsu=0.6 Ftu

不锈钢：Fsu=0.55 Ftu

其中 Fsu 是极限剪应力，Ftu 是极限拉应力。由于起始载荷应力容差是根据经验得出的，因此对于任何给定的金属合金，载荷容差可以近似如下：

Fbu=1.5 Ftu

Fby=1.5 Fty

其中，Fbu 是极限承载应力，Fby 是屈服承载应力，Fty 是拉伸屈服应力。

正确的紧固件几何形状

大多数军用标准 ( , MS) 和国家航空标准 ( , NAS) 紧固件都对直径、手柄长度、头部或柄部钻孔以及材料（紧固件可供选择的材料）进行了编码标注。与其列出一组定义，不如使用 NAS 1003 到 NAS 1020（图 32）作为示例来指出以下内容：

(1) 最后两位数字表示紧固件直径，单位为十六分之一英寸。

(2) 第一个破折号是手柄的长度，以十六分之一英寸为单位。

(3) 带破折号的字母表示钻头和/或柄钻。

此外，还添加了识别字母或短划线以指示紧固件材料。然而，并不是所有的 MS 和 NAS 紧固件标准都严格遵循这种系统性的做法。

剪切螺栓和螺母

在航空航天工业中，一般的基本规则是紧固件主要设计用于剪切而不是拉伸。因此，许多螺栓头和螺母的厚度约为正常厚度的二分之一以减轻重量。这些螺栓和螺母被称为剪切螺栓和剪切螺母，必须小心使用，不得指定用于拉伸应用。对于这些螺栓和螺母，扭矩表值也必须减半。

使用合适的螺丝长度

标准设计实践是选择一个螺钉长度，使螺纹区域永远不会用于负载（剪切）。在没有确切的螺钉长度的情况下，螺母或螺栓头下方使用的垫圈的厚度可能变化很大以适合螺钉。

螺栓和螺钉头样式

虽然行业内对螺栓和螺钉的区别没有明确的定义，但至少头部样式是明确定义的。在图 33 中发现的唯一区别是带有方肩的平头通常称为框架螺栓头。沉头（平面）的角度可以从60°到120°不等，但常见的值为82°和100°。

紧固件假冒

在过去的两年里，关于假冒紧固件的担忧和宣传已经浮出水面。最有据可查的假冒案例是故意将 8.2 级硼螺栓标记为 8 级螺栓。

8.2级螺栓是一种低碳（0.22%C）硼合金钢，可进行热处理，室温硬度与8级中碳（0.37%C）钢相同。但是，如果 8.2 级螺栓暴露在 500°F 以上的温度下，其室温和高温强度将急剧下降。8 级螺栓可在 800°F 下使用，室温强度损失很小。

出现了其他标有 MS 和 NAS，但不符合相应 MS 或 NAS 规格的紧固件；但是，没有现成的文档可用。由于这些紧固件是进口的，并且没有制造商的识别标记，因此无法追踪违规制造商，美国海关的检查也未能有效拦截假冒紧固件。

紧固件的另一个问题是用锌涂层代替镉涂层。如果染料与锌一起使用，检测涂层差异的唯一方法是化学测试。

正在制定联邦法规，以建立对从材料生产商到消费者的紧固件材料的控制。

螺栓头的识别

识别现有的非 MS、非 NAS 或非 Air 螺栓通常是个问题。每个制造商似乎都有不同的系统。 的 Frank（参考文献 [20]）对数百个“常见”螺栓进行了很好的汇编。他的完整汇编附在本报告的附录 A 中。 还发布了螺栓制造商标识号的国际指南。

紧固件强度

MIL-HDBK-5（参考文献 18）中给出了多种紧固件的允许强度。各种螺纹紧固件的极限剪切和抗拉强度在本报告的附录 B 中给出。

脚注引用：

[1] 安全裕度定义为

参考：

[16] Peery，DJ：.-希尔紧固件强度标准，1950。

[17]紧固件强度标准，L.：钢。卷。我，公司，1955 年。

[18] 和 .MIL-HDBK-5E，1987 年 6 月。

[19]，JH；和，FE：，第 2 版，Wiley & Sons，1981 年。

[20]，俄亥俄州梭伦，奥特。1987 年 2 月。

[本节翻译到此结束]