基于Ansys Workbench的鋼絲螺套接觸有限元分析

李 華，顧 強，劉華峰，李 兵

LI Hua1, GU Qiang1, LIU Hua-feng1, LI Bing2

（1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.中航惠陽航空螺旋槳有限責任公司，保定 072152）

0 引言

隨著機械工業的不斷發展，其材料的輕量化要求越來越高。在航空航天產品[1]以及近幾年國家大力發展的高鐵技術[2]中鋁合金銅合金等輕型材料應用越來越廣，但在材料輕量化的同時也面臨著一個嚴峻的問題，鋁合金或銅合金等材料其抗剪切能力相對較差，為考慮其安全性能及拆裝方便又不得不采用螺紋連接。綜合上述問題，采用鋼絲螺套連接。所謂鋼絲螺套即用菱形截面的鋼絲繞制成的螺旋體。株洲電力機車廠梁洪波在鋼絲螺套在電力機車上的應用中提出了三種鋼絲螺套的連接方式，包括：直接在母材上連接鋼絲螺套；對母材進行局部加強，然后再安裝鋼絲螺套；采用螺母座安裝鋼絲螺套。然而，在鋼絲螺套的相關報道中大多僅會闡述鋼絲螺套的應用及其安裝[3]王梅芝在衛星總裝中鋼絲螺套裝配工藝中介紹了鋼絲螺套的結構及安裝工藝要求。宋志偉[4]在鋼絲螺套內螺紋工具的設計和應用中介紹了鋼絲螺套的加工。本文源自某型產品在設計過程中出現的問題，由于采用鋁合金材料，并且關鍵部位螺栓需要承受較大軸向預緊力，所以采用18扣鋼絲螺套，但目前尚無相關詳細數據可以參考。本文利用CATIA對建立CAD模型，采用Ansys Workbench對其進行非線性仿真，得到其螺紋的受力分配情況，為工程應用提供了數據參考。

1 鋼絲螺套設計的三維建模及有限元仿真

螺紋牙軸向力的分配情況和螺紋牙間的變形協調情況有關，提高柔度可以改善螺紋牙的受力分配情況，鋼絲螺套可以提高螺紋間的柔度，改善螺紋牙的受力。螺紋的變形包括螺紋牙自身彎曲、剪切的變形、螺紋牙根傾斜變形、螺紋牙根剪切變形和徑向分力引起的變形。其中以螺紋牙身的剪切、螺紋牙根的剪切和徑向分力引起的變形為主。

因為在Ansys中計算螺紋的牙受力分配需要提取接觸壓力，積分出接觸力，需要一定的后處理時間，考慮到軸對稱模型計算，只有τzr不為零，并且τzr由軸向力提供，所以在計算初期在螺紋牙中間布置了一系列密集的節點，把螺紋牙當成懸臂梁，用提取螺紋牙中間切向力比例的方法得出螺紋的受力分配情況，這樣省去了許多后處理的時間，但是在校對結果時，這種方法得出的受力分配首扣螺紋受力比提取出來的接觸力少了10%左右，這是軸對稱模型和懸臂梁假設之間的差別，最終沒有采用這種方法。

本文屬于高度非線性的計算，在保證一定精度的前提下，為了提高效率采用了2D軸對稱模型進行計算。根據國內對普通螺紋計算[5,6]的相關論文，2D軸對稱模型與3D完整模型的應力誤差在2%左右。由于螺紋受力情況受力受螺紋剛度的影響，所以螺距、材料彈性模量，牙型等參數成為了主要影響因素，下文還提到了邊界條件對螺紋牙受力的影響，如需得到不同的情況的螺紋受力情況應當分別計算。本文僅以GJB119《普通鋼絲螺套》ST24×1.5的鋼絲螺套牙型數據，外螺紋為鋁基體為例計算不同圈數的鋼絲螺套下螺紋的受力情況。

1.1 建立CAD模型并進行仿真

在Workbench DM模塊中導入實體，并在Mechanical施加1000N的軸向力，計算在安裝鋼絲螺套下不同扣數的螺紋受力分配情況。

Workbench以Ansys的計算內核為基礎，集成了更智能化的功能。為了提取接觸力，將Output Controls中的Contact Miscellaneous和Nodal Forces設置為Yes，每對螺紋之間單獨設置Frictionless接觸條件，便于以后用Force Reaction功能提取接觸力。

圖1 CATIA模型

圖2 整體網格模型

圖3 螺紋處網格

圖4 螺紋的應力云圖

圖5 14扣鋼絲螺套不同邊界條件下螺紋的受力情況

根據標準數據建立的CAD模型，導入到Workbench中，不考慮摩擦力的影響（frictionless），建立軸對稱邊界條件，施加微小位移建立接觸關系后加預緊力矩產生的軸向載荷。為了有助計算收斂在，減小穿透值對計算結果的影響，增加螺紋牙的微小圓角特征，并在螺紋接觸處加密網格。模型用增廣拉格朗日方法表達接觸關系，直接法求解即采用稀疏矩陣直接求解器（Sparse Director Solver），分成10個載荷步進行求解。實體如圖1所示，網格模型如圖2所示，螺紋處的網格如圖3所示。加入鋼絲螺套的螺紋受力分布如圖4所示。同時本文對14扣鋼絲螺套不同邊界條件下螺紋的受力情況進行了分析，如圖5所示。

1.2 計算結果

本文采用擴展拉格朗日乘子法，允許的穿透值設置為1×10-8數量級。在計算過程中采用了不同的邊界條件，得出的結果有細微的差別。1）當螺紋旋合長度等于基體厚度時，螺紋各圈受力隨著圈數的增加，逐步下降，如圖6所示。2）當螺紋旋合長度小于基體厚度時，最后幾扣的螺紋受力略有增加，同時第一圈的受力比例略有降低，10%左右；3）當約束外螺紋邊界的法向位移式，第一圈的受力比例也略有降低，10%左右，如圖7所示。同時中間各圈螺紋受力有趨于平均的趨勢；螺紋旋合長度小于基體厚度的情況符合大多數的工程情況，所以最后選取了這種情況作為對比。

經過計算得出了此例中安裝鋼絲螺套下的螺紋軸向受力情況，后幾圈螺紋受力增加的情況是因為附加彎矩的存在，導致基體彎曲變形，使后幾圈的螺紋貼合得更緊密。

圖6 安裝不同圈數鋼絲螺套的螺紋受力情況

圖7 不同圈數鋼絲螺套的第一扣受力情況

隨著鋼絲螺套圈數的增加，螺紋牙的最大軸向力的比例也有明顯下降。外螺紋的邊界條件對受力一定影響，所以在螺紋孔布置較密集處應該組合計算。

2 對static structural進行分析

根據計算，加入鋼絲螺套后螺紋的軸向受力分配情況遠好于普通螺紋連接的受力分布，其中第一扣螺紋承受了近15.6%的總載荷。這是由于鋼絲螺套增加了連接柔度，提高了軸向力的傳遞效率，所以會改善螺紋牙的軸向受力分配情況，并且由于柔性的增加螺紋的扣數對第一扣螺紋的受力會有一定影響，所以18扣螺紋鋼絲螺套的第一扣受力應小于6扣鋼絲螺套的第一扣受力，計算結果符合結構的受力特點。

3 結束語

本文采用Ansys Workbench軟件對直徑為φ24，18扣鋼絲螺套進行有限元模擬仿真，獲得了其在加入鋼絲螺套后的螺紋應力分布。為鋼絲螺套在工程中的實際應用提供了一定的參考依據。加入18扣鋼絲螺的第一扣螺紋牙受力與6扣鋼絲螺套的第一扣螺紋牙受力的相比有15%左右的提高，也可作為一些工程中應用其它扣數的鋼絲螺套的參考。國內關于螺紋的有限元仿真大多停留在螺紋連接尤其為普通螺紋連接的結構模態分析領域[7],而本文對鋼絲螺套的非線性接觸仿真填補了國內關于鋼絲螺套非線性接觸有限元仿真的空白。

[1]王梅芝. 衛星總裝中鋼絲螺套裝配工藝[J]. 航天器環境工程ISTIC 2008, 25(6): 598-600.

[2]梁洪波, 袁順. 鋼絲螺套技術在電力機車上的應用[J]. 電力機車與城規車輛, 2005, 28(2): 37-38.

[3]石海明. 鋼絲螺套的應用及其安裝[J]. 零部件產品與質量.

[4]宋志偉. 鋼絲螺套內螺紋工具的設計與應用[J]. 新工藝新技術新設備.

[5]周芝婷, 馮建芬, 谷春笑. 基于ABAQUS螺栓接頭的接觸有限元[J]. 金陵科技學院學報, 2008, 24(4): 9-12.

[6]夏衛銘, 鄭翔, 楊曉俊. 基于Ansys的盲孔螺栓連接的有限元仿真[J]. 機械設計與制造, 2009,(7): 42-44.

[7]高旭, 曾國英, 李婷婷. 基于Ansys的螺紋連接法蘭結構模態分析[J]. 重慶科技學院學報, 2009, 11(5): 145-147.