2017.04.01

M10螺栓穿6 mm PP板承受5 kN：孔壁75.8 MPa，先坏的可能不是螺栓

把一颗M10螺栓穿过6 mm PP板，并不等于得到一处能承受钢制螺栓额定载荷的连接。塑料板可能先在孔壁承压、孔边剪出或净截面拉断，也可能在长期夹紧后因蠕变松弛。设计必须从板材的失效模式开始，而不是从螺栓强度表倒推。

5 kN作用在Ø11 mm孔壁上是什么量级

先做最简单的孔壁名义承压筛查。M10螺栓采用Ø11 mm间隙孔、板厚6 mm，横向载荷5 kN时：

σᵦ=F/(d×t)=5000/(11×6)=75.8 MPa。

Röchling的PP-H板材数据给出的屈服应力指导值大于30 MPa。75.8 MPa不是该连接的精确失效载荷，但已足以说明：把全部5 kN集中给一个Ø11 mm孔，名义孔壁应力远高于室温短时材料数据，不能直接放行。

若轴向夹紧力同样取5 kN，Ø30 mm外径、Ø11 mm内孔的垫圈接触环面积约611.8 mm²，平均压应力约8.17 MPa。大垫圈能降低螺栓头或螺母下方的局部压陷，但横向载荷若仍由螺栓杆顶住Ø11 mm孔壁，75.8 MPa的承压路径并没有消失。

要降低孔壁载荷，可以增加连接点、设置金属或复合衬套、扩大受力耳板、改变载荷路径，或者让夹紧摩擦承担经验证的部分剪力。每种方法都要重新查孔边剪出、净截面、衬套压溃和连接件腐蚀，不能只把垫圈直径改大就结束计算。

NASA复合材料螺栓接头资料把bearing承压、shearout孔边剪出和net tension净截面拉断列为三种基本校核。这个分类同样适合做PP板连接的失效路径清单，但允许应力必须使用实际PP牌号、温度、介质和持续时间的数据，不能套用NASA报告中的复合材料数值。

图纸应给孔中心到自由边距离、相邻孔距、板条总宽和受力方向。两块外形相同的PP-H均聚板材，一个孔离边15 mm、另一个离边40 mm，孔壁承压公式相同，孔边剪出余量却完全不同。

按PP约0.16 mm/(m·K)的线膨胀系数估算，1 m板条温差50 K会改变约8 mm长度。M10放在Ø11 mm圆孔内，径向总间隙只有1 mm，无法吸收8 mm方向位移；连接若必须允许热胀，应采用经计算的长圆孔、滑动垫片或独立导向结构。

长圆孔的长轴要与预期位移方向一致，固定端和滑动端不能全部做成长孔，否则板件会失去定位。螺母也不能拧到把滑动垫片锁死；应通过限位套、规定夹紧厚度或制造商认可的结构同时控制夹紧和滑移。

Ensinger对塑料蠕变的说明指出，持续压应力会造成随时间发展的变形，紧固件下方的材料松弛会降低夹紧力。温度升高通常会加速这一过程，因此“装配当天不松”不能代表长期连接可靠。

加工PP板材钻孔时，Röchling建议使用60°～90°钻尖、1000～3000 rpm、0.1～0.3 mm/rev，并对大孔或厚板分步退刀、去毛刺。加工参数保证孔缘不被热熔和撕裂，但最终仍要由实际接头做持续载荷、温度循环和拆检验证。

到货只量Ø11 mm孔径不够。应记录板厚、孔径、孔边距、孔距、垫圈外径、衬套长度、紧固力控制方式、滑动方向和材料批次；试装后在额定载荷下检查孔椭圆化、垫圈压痕和剩余夹紧力。

若连接涉及人员承载、压力边界或大型设备，应由结构专业按长期许用值和安全系数设计。本例5 kN、75.8 MPa和8.17 MPa只是暴露载荷集中的算例，不是金浩丰任一标准连接的额定值。