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R-L强度计算软件公布以及相关设计方法与经验汇总
LSEQY2025/01/18喷气推进，机械与工具 IP:山东
中文摘要
本文章通过一些简单基础计算方式对于常见的连接固定方式进行了初步计算设计，并通过ANSYS瞬态结构模块功能对于不同类型进行了有限元分析。探讨研究了螺丝孔距离，壳体边缘距离，对于应力集中影响和设计影响。并且还探讨了压力载荷和温度载荷其影响。最后总结提供了一些常见的设计方法。
Abstract
In this paper, through some simple basic calculation methods, the common connection fixing methods are preliminarily designed, and different types of finite element analysis are carried out through the transient structure module function of ANSYS. The influence of screw hole distance and shell edge distance on stress concentration and design are discussed. The influence of pressure load and temperature load is also discussed. Finally, some common design methods are provided.
关键词
强度计算螺丝孔位置设计径向螺栓设计
Strength calculationscrew hole position designradial bolt design

attachment iconR-L-强度计算器V20_2.xlsx642.03KBXLSX31次下载

创建此软件前提以及背景环境，大部分爱好者不懂得怎么去进行一个较为准确的强度计算大部分都是局限于拍脑袋大概计算。又或者是说现有软件具有局限性许多计算未包含。对于很多部分设计并不会懂得怎么检验以及设计对于许多出现的情况不明白是因为什么导致的。因此北域业余火箭爱好者俱乐部与铼铱工业业余火箭团队共同开发此软件。

1，计算器的基本介绍。

2，基本设计流程使用。

3，螺丝孔距离壳体边缘距离影响以及形成原因。

4，综述。

一计算器的基本介绍

1.1

V20_2基础功能。

1，压力载荷计算。

2，常见螺栓最小公称直径尺寸查看。

3，轴向螺栓计算有预紧力|静载荷|计算。

4，径向螺栓计算无预紧力|静载荷|计算。

5，薄圆形压力容器壁厚计算。

6，径向螺栓壳体简单计算。

1.2

image.png

主要计算公式F=P*S根据所受载荷压力方向输入此面积来得到计算可。自定义输入面积或者是计算圆形面积。

1.3

image.png

表格当中内置了一些基本常用尺寸的数据方便直接查询最小公称直径进行计算。

1.4

image.png

软件当中提供了预紧力以及轴向应力等等相关计算以及具体分析最终可提供结果是否满足其强度需求。并且对于部分取值提供一些常见的数值表格。

image.png

基本公式。

image.png

公式参数说明。

1.5

image.png

image.png

基本公式。

image.png

常见单边受力受检面数一般就是1。

1.6

image.png


提供了一些常见的压力容器计算基础数据并且内置了基础的屈服和抗拉强度数据库。

1.7

image.png

此计算器是个人设想的一种计算方式。并不提供准确的参考价值，但是在仿真与实践当中确实可以提供一定的参考。

二基本设计流程使用

基本设计流程就是按照上面所展示的流程。但需重点注意压力容器壁厚计算完之后还要到最后的壳体计算当中重新改变厚度来查看应力是否合适，并且尽量提高厚度。安全系数尽量提高。

三螺丝孔距离壳体边缘距离影响以及形成原因。

有关这个问题本文章提供了一个仿真案例并且分别进行研究探究。

DZA$51%C%TS7%10NI)K7[3Y.jpg

如图基本构型如上。

使用ANSYS商业软件当中的瞬态结构模块进行有限元分析。

采用12个M6螺丝最小公称直径5.02螺丝材料304不锈钢。壳体材料6061t6铝合金。压力轴向载荷共8482N.

通过改变螺丝孔距离，壳体边缘距离以及改变温度和取消压力载荷等等影响因素下的结果。

第1组实验螺丝孔距离壳体边缘10毫米。

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HLZM[M1TYK6D[@X5EWE5EOY.jpg

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其网格基本信息。对于螺丝孔附近应力比较大进行局域加密网格质量达到可以使用。

边界条件,压力载荷3MPa,轴向载荷共8482N.

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应力分布均匀并没有出现应力集中的情况其变形量微乎其微。以上图片为夸张变形具备使用条件。

第2组实验螺丝孔距离壳体边缘5毫米。

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G62{K5MUH{_I6{AYW03~4PD.jpg

(C7LBB~@ZMOKL%9H3V7S7L2.jpg

第2组网格信息

边界条件不变。

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AM_R2UH]0ULOY(5REDB0TNY.jpg

~LKN4P(K0378HH{[1]$[9CH.jpg

W3HD%9_E~RH9BG82JG~J`8J.jpg

由仿真结果得知应力分布均匀并没有出现应力集中的情况。

第3组实验螺丝孔距离壳体边缘2毫米。


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此时边缘部分已经开始出现应力集中。边缘后面应力并不是发散而是汇聚。此种情况极其危险，这只是在常温下的结果。

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@G%HTMTD%TU7%$4M}HWHTB1.jpg


现在将其施加到200℃的温度载荷进行仿真。

$BBW7L)_5G$96K~7CFOJA_3.jpg

L%B6~)MMWE50@04@G[YA~}Q.jpg

已经出现非常大级别的变形，此时在200℃的温度下，此结构已经完全失效。变形量达到0.5毫米实际情况下会出现应力集中导致破坏。

第4组实验螺丝孔距离壳体边缘0.5毫米。

ZFMAY5J72G5CU93C%BFKQ9W.jpg

3VM%N4{V5)D`K9R91_N(4)2.jpg

K[P39[HI6(`5SM~I~69I)9G.jpg

基本网格信息。

I(1G4PE(~``DU96N_)LO(L9.jpg

DRTRZT4JGZ_DU2DR24B08AJ.jpg

D_IC12BW0W17}YZF5)%EQMG.jpg

此时已经出现了严重的应力集中。大部分应力汇聚在顶端靠近壳体边缘处此时这种情况会严重破坏壳体直接导致其撕裂。有仿真证明0.5毫米两毫米这两组实验有两毫米处就已经开始出现部分应力集中0.5毫米严重应力集中。如果再考虑温度载荷下这两组都会导致其失效。

Z(%`D5}{H[KHUUWVYDA6QBM.jpg

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在取消压力载荷后壳体向内进行收缩并且弯折更加明显，应力更加集中。

有压力载荷并且在200℃下其结果。

P}W$[H8XF]Z1X}[WY]IOSYT.jpg


QQ(7RP(U@(5RY82QO[79QO4.jpg

严重的变形直接使用必然将其直接撕裂.

同样在边界条件下将壳体厚度改为原先的3.4倍固定方式使用卡簧。

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边缘位置出现了严重的应力集中直接使用很容易导致其撕裂。对于同样的边界条件下，其厚度是原先的3.4倍，但还是会出现严重应力，集中还需进一步更改设计因此卡簧并不算是一种非常好的结构设计方法。虽然使用便利性上比径向螺栓略微方便。但设计上是极其不友好的

4，综述。

对于上面仿真，同样条件下仿真了螺丝孔距离壳体边缘位置10毫米5毫米2毫米0.5毫米。分别对应力及其变形结果进行了分析。

结果组合如下。

}TA%[AP3RR$G880DJIMW0D7.png

虽然变形量并不是很大但是我们应该重点关注的是应力分布。如果出现严重的应力集中则设计不合理。需要保证让其应力均匀分布不会出现局部大应力并且最大应力要小于材料除以安全系数下的安全许用强度。

UY5%7HY8$}9HE[ZAYK~DDSY.jpg

温度影响是最大的，上图片温度上升到200℃其变形量巨大。壳体强度严重下降，因此设计时应当略微提高安全系数并且保证一定要将隔热做好，如果发动机长时间工作，则还需要特别考虑。此外建议各位爱好者有条件可以测量一下壳体温度，方便后期设计。

以上仿真案例均由计算软件所计算，并且计算结果均表明其设计合理。在距离壳体边缘距离足够的情况下，其仿真结果确实表明设计合理没有出现过大应力。变形量以及最大应力均在设计之下。

因此，在考虑螺丝孔距离壳体边缘位置时一定要通过有限元分析适当增加温度载荷。提高安全系数进行设计分析查看是否有应力集中处。并且要查看最大应力是否在设计应力之下。

连接处常用的一些设计方法

1，增加连接处壳体厚度，其他部分降低壁厚。

2，增加壳体刚度。

3，增加预紧力其增加摩擦力减小径向载荷。

4，将螺丝错开分布增加壳体截面积。






+1  科创币    星航工业    2025/01/20 文章写的很好支持
+1  学术分    虎哥    2025/03/16 提供学术性公共服务，为固体发动机结构设计中的基本问题提供了标准的解决模式。
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~~空空如也
就是氧化铁喽
2个月7天前 修改于 2个月7天前 IP:河北
941362
1楼

大赞，顶一个，详细的写了从计算到仿真，在不同距离下的形变对比



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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 修改于 2个月7天前 IP:四川
941366
2楼

1为什么使用瞬态计算？文中并没有体现出“瞬态”

2是否做了网格无关性验证？如何验证仿真结果？

3建议约束和载荷的施加画个示意图，解释一下设置的原因。

4为什么云图不加标签？只看颜色吗？

5卡簧槽看上去没有倒角，实际情况会有r。

6卡簧并不是圆环，应该加上卡簧进行计算。

7建议补充实验验证，下结论需要足够严谨。


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941369
3楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于2楼的内容
1为什么使用瞬态计算？文中并没有体现出“瞬态”2是否做了网格无关性验证？如何验证仿真结果？3建议约束

没有进行详细的网格无关性验证，但是网格质量足以保证其计算。并且在之前不同网格数目起仿真结果没有明显变化，网格影响并不大。本身网格我使用的也比较密。

标签由于背景图片颜色原因不好截图，并且我不是在下方贴出来数据了吗？

瞬态主要是做温度影响的时候将温度变化随时间变化进而分析，但是其最终主要还是关注该温度下，最终的结果怎么样？如果包含视频，等等将会有十几个视频本身最终关注的是结论与结果因此相关随时间变化的过程并没有展示


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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 IP:四川
941374
4楼

那么如何验证仿真的准确性呢？



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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941376
5楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于4楼的内容
那么如何验证仿真的准确性呢？

参考GB/T 33582-2017《机械结构有限元分析通用规则》，由于上述模型基本上没有什么变化，因此只大概对第1个模型划分了不同网格，进行了简单的网格无关性验证。并且网格质量达到需求。

image.png

其关键应力集中位置与之一些测试出现的问题几乎吻合，因此判断仿真是正确的。


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941377
6楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于4楼的内容
那么如何验证仿真的准确性呢？


实际测试出现的断裂位置与仿真上出现的应力集中位置几乎吻合。可以发现仿真其基本的应力集中位置至少是与现实吻合，其他部分数值虽然没进行准确的验证。但是其仿真主要查看的还是应力集中位置，是否出现应力集中的问题。至少在上述仿真当中，应力集中问题与现实符合。T)LK]I)FIS_R78F`O$F0[%E.jpg


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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 IP:四川
941379
7楼
引用LSEQY发表于5楼的内容
参考GB/T 33582-2017《机械结构有限元分析通用规则》，由于上述模型基本上没有什么变化，因

这是动力学吗？应该是静力吧


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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 IP:四川
941380
8楼
引用LSEQY发表于6楼的内容
实际测试出现的断裂位置与仿真上出现的应力集中位置几乎吻合。可以发现仿真其基本的应力集中位置至少是与现

但是这个拉断的和仿真的厚度一样吗？


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941382
9楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于7楼的内容
这是动力学吗？应该是静力吧

其他国标我也可以查询上传，其根本表述的也是关于网格的影响，以及其他云图分布与现实情况是否相符的一些标准。上述当中进行了一系列的仿真。其情况与现实当中是几乎吻合的。其距离也有先例可以提出实际的例子来验证仿真当中的应力集中是否准确。


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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 IP:四川
941383
10楼

那么是否应该做倒角/倒圆，仿真对比呢？有没有考虑奇异？


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941384
11楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于8楼的内容
但是这个拉断的和仿真的厚度一样吗？

我验证的不是这个模型的实际情况，请你看我上面所说的话。验证的是应力集中问题是否与现实相吻合。该尺寸的仿真如果你觉得一定需要，那么我可以等晚上有空做一个来回复你。但是该实物与仿真卡簧槽的构型都是一样的，但是相关尺寸不同。其应力集中位置是对的上的。


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941385
12楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于10楼的内容
那么是否应该做倒角/倒圆，仿真对比呢？有没有考虑奇异？

正如我上面所说，有关倒角也进行了仿真但没发出来，并且考虑卡簧的影响，也做了多个物体之间的仿真。如果你需要我可以在晚上回家的时候发给你。


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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 IP:四川
941388
13楼

做了的话，是否应当一并发出来呢？有限元计算施加的载荷与现实相符吗？是否有分析过载荷对结构的影响？网格过于密集容易出现奇异现象。


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941389
14楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于13楼的内容
做了的话，是否应当一并发出来呢？有限元计算施加的载荷与现实相符吗？是否有分析过载荷对结构的影响？网格

正如我上面已经所说到过，对于第一个模型，大概进行了几个尺寸的网格进行验证结果上没有大的差异。施加的载荷考虑了压力，轴向的推力，部分进行了温度的影响。请问你还有什么问题？其次我觉得最好还是看一下文中所写到的。不然重复回复，感觉没有什么意义。


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Na4TNAE_SSSIC
2个月7天前 IP:四川
941398
15楼

在应力集中的区域，网格加密容易导致奇异，这是有限元法本身的问题，请问是否有对比？约束和载荷的示意图有吗？最好还是辅以试验验证，申请科创基金应该可以。


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941400
16楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于15楼的内容
在应力集中的区域，网格加密容易导致奇异，这是有限元法本身的问题，请问是否有对比？约束和载荷的示意图有

正如上述回复，第一个模型进行了三种网格的测试并无影响


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LSEQY作者
2个月7天前 IP:山东
941401
17楼
引用Na4TNAE_SSSIC发表于15楼的内容
在应力集中的区域，网格加密容易导致奇异，这是有限元法本身的问题，请问是否有对比？约束和载荷的示意图有

我认为我个人水平还达不到申请科创资金的要求，等待后续自己水平能达到申请科创资金可以对该项目进行一个细致的实际与仿真研究。


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LSEQY
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