沖擊載荷作用下預緊力螺栓強度特性研究

， ， ，桐鳴

(哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

國內外關于螺栓聯接的研究很多[1-3]，但對于有預緊力的螺栓聯接結構，關于螺栓的強度研究多為靜強度研究。根據統計分析，在靜載荷下螺栓聯接是很少發生破壞的，只有在嚴重過載的情況下才會發生。螺栓聯接結構在實際工作中所承受的載荷大多為變載荷，尤其是當被聯接件受到沖擊時，針對此類研究較少的現狀，本文采用大型非線性有限元軟件ABAQUS，利用從隱式到顯示數據傳遞的方法，對沖擊載荷作用下預緊力螺栓進行強度分析，并以某艦用汽缸為例，研究螺栓的強度特性，旨在為螺栓結構裝配時對螺栓預緊力的控制提供可靠的、有意義的參考依據，也對螺栓聯接結構的優化提供參考。

1 單向沖擊作用

1.1 模型選取及邊界條件

對于承受沖擊、振動或變載荷的螺紋聯接件，螺栓一般采用低合金鋼、合金鋼。本文采用40Cr作為螺栓和螺母材料，選用標準件M16×65，螺栓間距為100 mm，螺栓聯接的上板采用160 mm×160 mm×20 mm的方板，下板采用300 m×300 m×20 mm的方板，其材料為16MnR，具體參數見表1。

表1 模型的材料參數

選取較為簡單的螺栓聯接結構驗算螺栓在不同沖擊工況、不同沖擊方向的響應。為便于網格劃分和有限元計算并保證計算精度，將螺栓簡化為圓柱，由于螺母不是主要的考察對象，為便于網格劃分將螺母簡化為圓柱，真實模擬螺栓聯接結構的工作環境，將各個相接觸的面均設為有摩擦接觸。對于鋼或鑄鐵被聯接件取摩擦系數f=0.10～0.15，本文取摩擦系數f0=0.15。見圖1。

圖1 螺栓聯接結構有限元模型

為了模擬預緊力螺栓受不同沖擊載荷后的響應，通過在下板加質量點來模擬設備重量，對上板分別施加橫向沖擊載荷和縱向沖擊載荷，以及同時施加橫向沖擊和縱向沖擊載荷。

1.2 預緊力計算

合金鋼螺栓聯接預緊力F0為

F0≤(0.5～0.6)σsA1

(1)

其中：d1——螺栓小徑。

本文螺栓預緊應力初始選定為材料屈服極限的40%，由《機械設計手冊》可知M16螺紋小徑d1=13.835 mm，故螺栓的預緊應力為

1.3 計算工況

螺栓預緊力屬于靜力載荷，只能在隱式分析中施加，而在顯示分析中無法施加螺栓預緊力，本文采用國際上通用的大型非線性有限元軟件ABAQUS，利用從隱式到顯式數據傳遞的方法，通過隱式分析施加螺栓預緊力，將計算的結果導入顯示分析步，對結構施加沖擊載荷來計算螺栓的響應，計算工況見表2，加載曲線見圖2。

表2 螺栓聯接結構計算工況

2 計算結果分析

計算表2所列工況，分析螺栓聯接結構強度特性，只給出某時刻工況1下螺栓聯接結構在沖擊過程中的Mises應力云圖，見圖3。所有工況下螺栓的最大Mises應力見表3。

預緊力螺栓在受縱向及橫向變載荷時安全系數為1.2～1.5，本文取螺栓安全系數為S=1.3，則螺栓的許用應力為

圖2 螺栓聯接結構加載曲線

圖3 螺栓最大應力

載荷/g以下預緊力/N時最大Mises應力/MPa047 18058 97570 770橫向沖擊10400407493577206684795446633082559064471440106727771817縱向沖擊10766383479574201533874825763023039248758140306405492585503834355055936045948453360770536540580633

由表3可知，在橫向沖擊中，螺栓在無預緊力時，沖擊載荷達到20g時，螺栓破壞；螺栓預緊力為47 180 N時，沖擊載荷達到40g時，螺栓破壞；螺栓預緊力為58 975 N時，沖擊載荷達到30g時，螺栓破壞；螺栓預緊力為70 770 N時，沖擊載荷達到20g時，螺栓破壞。在縱向沖擊中，螺栓預緊力為70 770 N時，沖擊載荷達到60g時，螺栓破壞。圖4所示為螺栓預緊力與其最大Mises應力在不同工況下的關系，螺栓聯接結構應力變化較大部位處某點的Mises應力時歷見圖5。

圖4 螺栓預緊力與螺栓最大Mises應力關系

圖5 設備Mises應力時歷曲線

由圖4可知，在橫向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應力響應越大，且當預緊應力小于材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而減小，當預緊應力大于材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大，故受剪螺栓的預緊應力在其材料屈服極限的40%左右時，其強度最大。

在縱向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應力響應越大，且螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大，故受拉螺栓的強度會隨著其預緊力的增大而變薄弱。

由圖5可以看出，在有螺栓預緊力時，其螺栓聯接結構受沖擊后的應力響應較平緩，對結構的穩定性和可靠性有一定保障，由于預緊力的作用，對結構局部會產生一定的初始應力。

3 橫向沖擊和縱向沖擊的同時作用

實際工程中，預緊力螺栓可能受到橫向沖擊和縱向沖擊同時作用。由圖4可知，在不同沖擊載荷作用下，預緊力螺栓的最大Mises應力隨預緊力的不同變化趨勢一致，故可取典型工況來研究預緊力螺栓在不同預緊力下同時承受橫向沖擊和縱向沖擊的應力響應。本文取預緊力螺栓同時承受橫向沖擊和縱向沖擊作用工況，見表4。

表4 橫向沖擊和縱向沖擊同時作用

預緊力螺栓在橫向沖擊和縱向沖擊同時作用下的最大Mises應力云圖及預緊力螺栓最大Mises應力與預緊力關系見圖6、7。

圖6 橫向沖擊和縱向沖擊同時作用時螺栓應力響應

圖7 螺栓預緊力與螺栓最大Mises應力關系

由圖6、7可知，螺栓無預緊力時，上下板發生了明顯的分離，螺栓應力響應劇烈，螺栓破壞；當預緊應力小于材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而減小，當預緊應力大于材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大，故同時受剪拉作用的螺栓，當預緊應力為其材料屈服極限的40%左右時，其強度最大。

4 工程實例

以某型艦用汽輪機汽缸為例，汽缸上、下缸材料均為ZG06Cr13Ni4Mo，采用M56和M30的雙頭螺柱聯接，螺柱材料為25Cr2MoV，螺母為35CrMoA，M56螺栓平均間距為90 mm，M56螺栓平均間距為68 mm，對汽缸分別施加橫向沖擊載荷和縱向沖擊載荷，加載曲線按圖2所示，加載工況見表5，汽缸某時刻的應力響應云圖見圖8。

表5 計算工況

圖8 汽缸某時刻的應力響應云圖

通過《工程材料手冊》查得25Cr2MoV的屈服應力可達1 042 MPa，汽缸螺栓預緊力與其最大Mises應力在不同工況下的關系見圖9。

圖9 汽缸螺栓預緊力與螺栓最大Mises應力關系

由圖9可知，汽缸聯接螺栓在橫向沖擊中，當預緊應力小于其材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而減小，當預緊應力大于其材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大；汽缸聯接螺栓在縱向沖擊中，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大。

5 結論

1)螺栓聯接結構在橫向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應力響應越大，且當預緊應力小于其材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而減小，當預緊應力大于其材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大，故受剪螺栓的預緊應力在其材料屈服極限的40%左右時，其強度最大。

2)螺栓聯接結構在縱向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應力響應越大，且螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大，故受拉螺栓的強度會隨著其預緊力的增大而變薄弱。

3)螺栓聯接結構在橫向沖擊和縱向沖擊同時作用中，當預緊應力小于材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而減小，當預緊應力大于材料屈服極限的40%時，螺栓的應力響應隨著預緊力的增大而增大，故同時受剪拉作用的螺栓，當預緊應力在其材料屈服極限的40%左右時，其強度最大。

4)在有螺栓預緊力時，其聯接結構受沖擊后的應力響應較平緩，對結構的穩定性和可靠性有一定保障，由于預緊力的作用，對結構局部會產生一定的初始應力。

[1] 王曉俠,江 帆,蘇羅青,等.綜合集成桅桿螺栓聯接方式研究[J].中國艦船研究, 2010(5):42-45.

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