连接桅杆的载荷分析与螺钉设计

　　在海洋工程设计中华往遇到如图1所示的两部分桅杆连接时的接口设计，桅杆A, B部分均为圆柱形，桅杆B的连接法兰通过螺钉组紧固于桅杆A的端部，其法兰端的短轴嵌入桅杆A端的孔内，轴与孔设计为间隙配合。连接桅杆必须满足以某一速度在波一流场中运动的工况。该桅杆运动时，受到的流向力除了包括定常的正面迎水阻力外，还包括因波浪运动产生的脉动阻力分量、波浪质点运动加速度导致的流体惯性分量等，同时，由于运动时卡门涡旋的周期性发放，产生了垂直于运动方向的卡门力，如图2所示。针对这种结构，本文分析了螺钉组与嵌入轴段的受载过程，在此基础上提出了一种螺钉最大工作应力的计算方法与优化设计方法。

　　螺钉的载荷分析

　　1.1模型的简化与载荷形成

　　根据图1所示的结构，运动桅杆A可简化为桅杆B的基座，桅杆B可简化为有螺钉紧固的嵌入梁，如图3所示。

　　理想状态下，桅杆B的嵌入配合轴段处于无约束自由状态。当连接桅杆在波一流场中运动时，由于流向力或卡门力的作用，整个连接桅杆发生了沿作用力方向的挠曲变形，桅杆B的法兰面有绕支点O旋转的趋势，亦即连接法兰面受到了倾翻力矩M的作用，紧固螺钉受到了与其拉伸变形量成正比的拉伸工作载荷;同时，桅杆B的配合段轴亦绕0点旋转，当桅杆B嵌入段轴上的E点与基座接触时，即E点旋转到E', F点旋转到F点，桅杆B上的E点受到基座的沿作用力方向上的支反力(假设桅杆B配合段轴的刚度足够)，桅杆B上的嵌入段轴具有了工作载荷，此时，法兰面绕口点的旋转角度为eo因此，这种有螺钉连接的运动桅杆受倾翻力矩作用时，对于一个具休的结构.T作数荷分布右两种可能.

　　(1)倾翻力矩较小.螺钉伸长量未达到极限位置的伸长量，桅杆B的配合轴段与其基座不接触.处于无约束状态时，仅由连接螺钉承受工作载荷;

　　(2)当倾翻力矩足够大，螺钉的伸长量达到其极限

　　位置的伸长量时，桅杆B的配合轴段与其基座接触，此时不仅螺钉承受了工作载荷，配合轴段亦承受工作载荷。

　　1.2波一流场中螺钉的工作应力的计算

　　波一流场中螺钉的工作应力应包括两部分，即由于流向力的作用产生的拉伸应力和由于卡门力的作用所产生的拉伸应力，两者相差900。在波一流场中，流向力与卡门力均为变载荷，在螺钉的强度计算中不仅应按疲劳极限来计算螺钉的强度，还须计算最大静强度，这里我们先汁算最大静强度。最终汁算的最大静应力应为两个方向上应力儿何相加所得的合成应力。即: