一、实验目的
本实验通过对一组螺栓的静载受力分析及单个螺栓的静、动载受力分析，达到以下目的：
1.螺栓组实验
（1）了解托架螺栓组受翻转力矩引起的载荷，对各螺栓拉力分布情况的影响；
（2）根据拉力分布情况，确定托架底板旋转轴线的位置；
（3）将实验结果与螺栓组受力分布的理论计算结果进行比较。
2.单个螺栓静载实验
了解受预紧轴向载荷螺栓连接中，零件相对刚度的变化对螺栓所受总拉力的影响。
3.单个螺栓动载荷实验
通过改变螺栓连接中零件的相对刚度，观察螺栓中动态应力幅值的变化。
二、实验设备
本实验的实验设备是LSC-Ⅱ螺栓组及单个螺栓连接综合实验台。
三、实验原理
1.螺栓组实验台的结构与工作原理
螺栓组实验台的结构如图19-1所示。图中1为托架，在实际使用中多为水平放置，为了避免由于自重产生力矩的影响，在本实验台上设计为垂直放置。托架以一组螺栓3连接于支架2上。加力杠杆组4包含两组杠杆，其臂长比均为1∶10，则总杠杆比为1∶100，可使加载砝码6产生的力放大100倍后压在托架支承点上。螺栓组的受力与应变转换为粘贴在各螺栓中部的应变片8的伸长量，用应变仪来测量。两片应变片在螺栓上相隔180°粘贴，输出串接，以补偿螺栓受力弯曲引起的测量误差，引线由孔7中接出。
图19-1 螺栓组实验台
1—托架；2—支架；3—螺栓；4—杠杆组；5—底座；6—加载砝码；7—引线孔；8—应变片
图19-2 螺栓组的布置
如图19-2所示，加载后，托架螺栓组受到一横向力及力矩，与接合面上的摩擦阻力相平衡。而力矩使托架有翻转趋势，使得各个螺栓受到大小不等的外界作用力。根据螺栓变形协调条件，各螺栓所受拉力F（或拉伸变形）与其中心线到托架底板翻转轴线的距离L成正比。即
式中，F1、F2为安装螺栓处由于托架所受力矩而引起的力（N）；L1、L2为从托架翻转轴线到相应螺栓中心线间的距离（mm）。
本实验台中第2、4、7、9号螺栓下标为1；第1、5、6、10号螺栓下标为2；第3、8号螺栓到托架翻转轴线的距离为零（L=0）。根据静力平衡条件可得：
式中，Q为托架受力点所受的力（N）；h0为托架受力点到接合面的距离（mm），如图19-2所示。
本实验中取Q=3500N，h0=210mm，L1=30mm，L2=60mm。
把式（19-1）代入式（19-3）中，则第2、4、7、9号螺栓的工作载荷为
第1、5、6、10号螺栓的工作载荷为
2.螺栓预紧力的确定
本实验是在加载后不允许连接接合面分开的情况下来预紧和加载的。在预紧力的作用下，连接接合面产生的挤压应力为
悬臂梁在载荷力Q的作用下，若要使接合面不出现间隙，则应满足
式中，Q0为单个螺栓预紧力（N）；Z为螺栓个数，Z=10；A为接合面面积，A=a（b-c）（mm2）；W为接合面抗弯截面系数，其计算公式如下：
本实验中取a=160mm，b=105mm，c=55mm。
由式（19-6）、式（19-7）及式（19-8）可知：
为保证一定的安全性，取螺栓预紧力
下面我们再分析螺栓的总拉力。
在翻转轴线以左的各螺栓（1、2、6、7号螺栓）被拉紧，轴向拉力增大，其总拉力为
或
在翻转轴线以右的各螺栓（4、5、9、10号螺栓）被放松，轴向拉力减小，总拉力为
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或
式中，
为螺栓的相对刚度，CL为螺栓刚度，CF为被连接件刚度。
螺栓上所受到的力是通过测量应变值而计算得到的。根据虎克定律：
式中，ε为变量，σ为应力（MPa），E为材料的弹性模量，对于钢材，取E=2.06×105MPa。
螺栓预紧后的应变量为
则由式（19-15）可得螺栓受载后总应变量
或
式中，d为被测处的螺栓直径（mm），K为系数，
因此，可得到在翻转轴线以左的各螺栓（1、2、6、7号螺栓）的工作拉力为
在翻转轴线以右的各螺栓（4、5、9、10号螺栓）的工作拉力为
3.单螺栓连接实验台的结构及工作原理
单螺栓连接实验台部件的结构如图19-3所示。旋动调整螺帽1，通过支持螺杆2与加载杠杆8，可使吊耳3受拉力载荷，吊耳3下有垫片4，改变垫片材料可以得到螺栓连接的不同相对刚度。吊耳3通过被测单螺栓5、紧固螺母6与机座7相连接。小电机9的轴上装有偏心轮10，当电机轴旋转时由于偏心轮转动，通过杠杆使得吊耳和被测单螺栓上产生一个动态拉力。吊耳3与被测单螺栓5上都贴有应变片，用于测量其应变的大小。变应力幅值调节手轮12可以改变小溜板的位置，从而改变动拉力的幅值。
四、实验方法及步骤
1.螺栓组实验
（1）在实验台螺栓组各螺栓不加任何预紧力的状态下，将各螺栓对应的半桥电路引线（1～10号线）按要求接入所选用的应变仪相应接口中，根据应变仪使用说明书进行预热（一般为三分钟）并调平衡。
（2）由式（19-10）计算出每个螺栓所需的预紧力Q0，并由式（19-16）计算出螺栓的预紧应变量ε0，并将结果填入表19-1中。
（3）按式（19-4）、式（19-5）计算每个螺栓的工作拉力Fi，将结果填入表19-1中。
（4）逐个拧紧螺栓组中的螺母，使每个螺栓的预紧应变量约为ε0。各螺栓应交叉预紧，为使每个螺栓的预紧力尽可能一致，应反复调整2～3次。
（5）对螺栓组连接进行加载，加载力为3500N，其中砝码连同挂钩的重量为3.754kg。停歇两分钟后卸去载荷，然后再加上载荷，在应变仪上读出每个螺栓的应变量εi，填入表19-2中，反复做3次，取3次测量值的平均值作为实验结果。
图19-3 单个螺栓实验台
1—螺帽；2—螺杆；3—吊耳；4—垫片；5—被测螺栓；6—紧固螺母；7—机座；8—加载杠杆；9—小电机；10—偏心轮；11—预紧或加载手轮；12—变应力幅值调节手轮
（6）画出实测的螺栓应力分布图。
（7）用机械设计中的计算理论计算以上各测量值，绘出螺栓组连接的应变图，并与实验结果进行对比分析。
2.单个螺栓静载实验
（1）旋转调节手轮12的摇手，移动小溜板至最外侧位置。
（2）如图19-3所示，旋转紧固螺母6，预紧被测螺栓5，预紧应变为ε0=500με。
（3）旋动调整螺帽1，使吊耳3上的应变片（12号线）产生ε=50με的恒定应变。
（4）换用不同弹性模量材料的垫片，重复上述步骤，将螺栓总应变εi记录在表19-3中。
（5）用下式计算刚度Ce，并作不同垫片实验结果的比较分析。
式中，A为吊耳测应变的截面面积，本实验中A为224mm2；A′为试验螺杆测应变的截面面积，本实验中A′为50.3mm2。
3.单个螺栓动载荷实验
（1）安装吊耳下的钢制垫片。
（2）将被测螺栓5加上预紧力，预紧应变仍为ε0=500με（可通过11号线测量）。
（3）将加载偏心轮转到最低点，并调节调整螺母1，使吊耳应变量ε=5～10με（通过12号线测量）。
（4）开动小电机，驱动加载偏心轮。
（5）从波形线上分别读出螺栓的应力幅值和动载荷幅值，将结果填入表19-4中。
（6）换上环氧垫片，移动电机位置以改变被连接件的刚度，调节动载荷的大小，使动载荷幅值与使用钢垫片时相一致。
（7）估计地读出此时的螺栓应力幅值，将结果填入表19-4中。
（8）作不同垫片下螺栓应力幅值与动载荷幅值关系的对比分析。
（9）松开各部分，卸去所有载荷。
（10）校验电阻应变仪的复零性。
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