緊螺栓連接的有限元模擬仿真研究

王建國(guó)（濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司,濟(jì)南　250214）

緊螺栓連接的有限元模擬仿真研究

王建國(guó)
（濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司,濟(jì)南250214）

為簡(jiǎn)化傳統(tǒng)力學(xué)對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核的計(jì)算過程，提高計(jì)算結(jié)果的直觀性，采用了一種螺栓的有限元ANSYS的簡(jiǎn)化模擬分析，為了驗(yàn)證有限元簡(jiǎn)化模擬分析的準(zhǔn)確性，利用傳統(tǒng)力學(xué)的解析法對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此螺栓的有限元簡(jiǎn)化模型的模擬仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果保持一致，說明對(duì)于螺栓強(qiáng)度的校核，此簡(jiǎn)化方法是有效的，對(duì)于工程應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

螺栓強(qiáng)度校核；傳統(tǒng)力學(xué)；ANSYS；螺栓模型簡(jiǎn)化；有限元仿真

0　引言

螺栓連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整簡(jiǎn)便，可反復(fù)拆卸等優(yōu)點(diǎn)，是目前最為常用的工程結(jié)構(gòu)的連接方式。但是在復(fù)雜的工程應(yīng)用過程中，由于交變載荷的作用，在振動(dòng)、沖擊等干擾因素作用下，往往對(duì)螺栓產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，螺栓的強(qiáng)度將直接關(guān)系到設(shè)備的正常使用及使用的安全性[1]。與運(yùn)用經(jīng)典的理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核相比，主要借助于理論分析，通過經(jīng)驗(yàn)公式等進(jìn)行校核計(jì)算，在計(jì)算過程中，對(duì)螺栓的整體受力情況及受力位置等考慮并不全面，此外，并不能完全的顯示各個(gè)位置的受力狀況，不能很好地用于指導(dǎo)實(shí)踐。通過有限元分析軟件，可以輕松的分析整個(gè)螺栓的受力狀況，計(jì)算結(jié)果更加直觀地展現(xiàn)，而且計(jì)算工作量大大降低，因此，有限元軟件越來越多的被應(yīng)用到螺栓的校核中[2-4]。

1　螺栓連接的失效機(jī)理分析

螺栓連接所受的載荷包括軸向載荷、橫向載荷、彎矩和轉(zhuǎn)矩等，其受載形式主要為軸向力與橫向力。在軸向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范圍，螺栓桿將會(huì)產(chǎn)生塑性變形甚至將斷裂；在橫向力的作用下，當(dāng)采用鉸制孔用螺栓時(shí)，螺栓桿和孔壁的貼合面上可能發(fā)生壓潰或者螺栓桿被剪斷等。

本研究主要對(duì)螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行分析，對(duì)于受拉力載荷的連接螺栓來說，發(fā)生破壞的位置主要在于螺紋的小徑位置，對(duì)于這種螺紋連接，其主要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓具有足夠的靜力強(qiáng)度。螺栓連接中，最為常見的受理方式為預(yù)緊力與工作拉力同時(shí)存在的情況，螺栓在軸向拉力作用下，螺栓跟連接件都會(huì)產(chǎn)生彈性變形，因此，螺栓所受到的總拉力并不是預(yù)緊力跟工作拉力之和。根據(jù)力學(xué)知識(shí)，螺栓的總拉力跟預(yù)緊力跟工作拉力有關(guān)以外，還會(huì)受螺栓以及連接件的剛度等因素相關(guān)[5-6]。

2　承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓的理論強(qiáng)度校核

承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓，螺栓所受到的總拉力并不是預(yù)緊力跟工作拉力之和，而等于殘余預(yù)緊力和工作拉力之和。而殘余預(yù)緊力與預(yù)緊力又存在如下關(guān)系：

式中：

物理模型描述：采用性能等級(jí)4.6級(jí)的M6普通螺栓，采用金屬墊片對(duì)兩連接件進(jìn)行連接，假定預(yù)緊力F0=5000N，所受的工作拉力F=1000N，試校核螺栓的強(qiáng)度。

在上述物理模型的描述中可得，螺栓的相對(duì)剛度可取0.2～0.3，此處取0.25，將相關(guān)數(shù)據(jù)，帶入式3可得螺栓所受的總拉力為F2=5250N，鑒于螺栓在軸向力作用下需要進(jìn)行擰緊補(bǔ)充，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，故需要將軸向總力提高30%，因此，螺栓的危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式3可得，σca=239Mpa＜[σ]=240Mpa，可得螺栓強(qiáng)度滿足使用要求。

3　承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓的有限元分析

根據(jù)上述的物理模型，進(jìn)行有限元建模，建立有限元螺栓模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在有限元進(jìn)行分析的過程中，采用螺栓的實(shí)體連接存在計(jì)算量大、計(jì)算不收斂等問題，對(duì)螺栓連接進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于結(jié)構(gòu)形狀和載荷存在對(duì)稱性，為降低計(jì)算量，使計(jì)算結(jié)果顯示更加直觀，建立1/4模型。采用預(yù)緊單元PRETS179，并創(chuàng)建預(yù)緊截面命令PSMESH，施加預(yù)緊力載荷進(jìn)行有限元分析。

在預(yù)緊截面上施加預(yù)緊力F0=5000N以及工作拉力F=1000N，然后進(jìn)行求解。進(jìn)行受力分析后，得螺栓的應(yīng)力云圖如下圖所示。

從上圖螺栓的受力分析可以看出，螺栓的最大應(yīng)力發(fā)生的位置在螺栓連接位置處，螺栓的危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)為236Mpa，跟前文的理論分析結(jié)果239MPa相吻合，說明此螺栓連接的有限元簡(jiǎn)化模型合理。采用有限元分析的方法，可以大大降低螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算量，而且可以更加直觀地顯示危險(xiǎn)位置所在的位置，為下一步的理論分析及解決方案的確立提供參考。

4　結(jié)論

由上分析可知，對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，可以采用有限元的預(yù)緊單元PRETS179進(jìn)行仿真模擬。跟傳統(tǒng)的理論公式的推導(dǎo)相比，細(xì)節(jié)處的節(jié)點(diǎn)載荷有差異，但不影響整體結(jié)果的正確性，而且計(jì)算結(jié)果更加直觀，為綜合分析提供更加準(zhǔn)確而全面地分析。對(duì)于機(jī)載設(shè)備裝配體中螺栓連接，此方法更具有實(shí)用的工程價(jià)值，對(duì)于螺栓的布置方式、螺栓的選型設(shè)計(jì)，也具有一定的參考意義。

[1]江國(guó)棟,陳彤.25Cr2Mo1V鋼裂紋擴(kuò)展機(jī)理的研究[J].煤礦機(jī)械,2004.

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[3]吳正佳,周進(jìn),任芬芬,張成.杜義賢基于Pro/E Mechanica的帶螺栓多約束組件結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2010.

[4]楊敏.螺栓連接結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化數(shù)值模擬方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012.

[5]高旭,曾國(guó)英.螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元建模及動(dòng)力學(xué)分析[J].潤(rùn)滑與密封,2010,35(04):68-71.

[6]DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程2012版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.