基于ANSYS的螺栓連接強度評估的二次開發

高吉娥，王劍

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

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基于ANSYS的螺栓連接強度評估的二次開發

高吉娥，王劍

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

以車輛連接螺栓為研究對象，利用Tcl/Tk語言對ANSYS有限元分析軟件進行二次開發. 依據《機械設計手冊》對鐵路車輛連接螺栓進行靜強度、擠壓強度、剪切強度評估，結合ANSYS開發語言APDL對各種評估過程進行整合并創建了評估界面.實現了可視化的界面操作，完成了評估過程的自動計算及結果輸出.

ANSYS；Tcl/Tk；螺栓；二次開發

0 引言

隨著國民經濟的增長，近年來我國高速鐵路迅速發展，安全穩定是車輛運行的基本要求，要保證車輛安全平穩的行駛，鐵路車輛的連接結構安全也是起到至關重要的作用. 鐵路車輛的許多吊裝設備主要是由螺栓與車體連接，連接螺栓的安全性能直接關系著車體運行的安全，本文所要研究的主要內容正是針對車輛螺栓連接強度問題. 目前對螺栓強度校核標準大多數采用《機械設計手冊》[1- 2],但有限元后處理模塊中缺少與該評估過程對應的功能，本文正是為了解決這一問題,根據現有常用的評估標準進行模塊化整理，創建可視化工作界面，并嵌入到ANSYS軟件中，方便用戶使用.

1 螺栓連接強度評估理論

有限元分析中對螺栓、鉚接結構一般采用剛性元、梁元組合方式進行模擬(對鉚釘僅考慮連接作用)來進行整體結構仿真分析. 根據《機械設計手冊》標準的計算要求，提取螺栓軸向內力、剪切內力分別對螺栓進行靜強度、擠壓強度、剪切強度評估. 對比計算所得應力與屈服應力或許用應力，計算應力小于相應屈服應力或許用應力即認為螺栓強度滿足要求.

1.1 靜強度評估過程

根據有限元計算結果可以提取模擬螺栓梁單元軸力，進而得到螺栓的實際工作拉力. 螺栓工作過程中主要承受抗拉強度，若梁元受到的軸力為負，可以起到緩解螺栓內由于預緊而產生的拉力，評估過程可以忽略不計. 具體計算過程如下：

(1)根據有限元計算結果提取螺栓軸力Fx；

(2)計算螺栓的工作拉力F(若Fx>0,F=Fx;若Fx≤0,F=0);

(3)計算螺栓預緊力Qp,根據公式Qp=T/0.2d;

(4)計算螺栓總軸向力Q=Qp+0.3F;

(5)計算螺栓工作應力σca=1.3Q/A.

1.2 擠壓強度評估過程

(1)根據有限元計算結果提取螺栓剪力F1、F2;

(3)計算擠壓應力σ=F/A.

其中:A為承壓面積，A=d0×lmin，d0為螺栓孔直徑，lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度. 最后根據計算擠壓應力與螺栓許用擠壓應力比較即可確定螺栓是否滿足設計要求.

1.3 剪切強度評估過程

(1)提取螺栓剪力F1、F2；

(3)計算剪切應力σ=F/A.

2 評估界面開發關鍵技術

ANSYS[3]在有限元分析中得到廣泛應用，集成了結構、電學、流場等多個模塊，功能十分強大. 但在處理專業具體問題上，同樣存在操作繁瑣、不易掌握等問題，本文結合Tcl/Tk工具控制語言、APDL參數化設計語言，系統地分析了ANSYS流程自動化過程，編制了螺栓評估過程對應的宏文件，實現了螺栓評估過程的自動計算.研究了ANSYS流程自動化系統工具，創建了自定義圖形用戶界面，實現了用戶自定義參數與ANSYS參數的數據傳遞，面向車輛CAE關鍵問題進行了二次開發，為具體問題的仿真分析與評估提供了快捷方便的分析工具.

2.1 APDL語言概述

APDL[3]即ANSYS Parametric Design Language(ANSYS參數化設計語言)，是一種解釋性語言,可以用于參數化建模，也可用來自動完成某些通用性強的任務或專用程序.APDL包含豐富的控制結構命令[3]，如if-then-else分支，do循環，標量、向量及矩陣操作等，ANSYS命令通過APDL組織起來編寫參數化通用程序，極大的提高了分析效率.

對于常用的重復分析結構過程用戶還可以編制宏命令. 宏[4- 5]是為了實現某種特殊功能而編制的命令組合，實質上是參數化的模塊小程序，可以當作ANSYS的命令處理，可以有輸入參數或沒有輸入參數. ANSYS工具條就是一個縮寫的宏命令.

2.2 Tcl/Tk的界面設計方法

Tcl(Tool Command Language)是一種解釋執行的腳本語言[6- 8],具有if條件控制、for循環控制和switch控制等控制結構，還可以靈活定義和調用過程，實現特定功能與按鈕的綁定.Tk[6- 8]是基于Tcl語言的界面設計開發工具箱,包含圖形用戶界面設計常用的各種組件.二者結合可用于ANSYS的界面開發,界面的的創建過程通常包括以下幾個步驟[3]：

(1)頂層窗口的建立

Tk遵循層次結構，對話框是一個窗口，應首先建立窗口才能放置對應的組件. 可以用TK的toplevel命令來創建一個頂層窗口的框架，例如：

toplevel.topwin-width 150-height 50 #創建一個名為topwin，尺寸為150×50的窗口

(2)組件的添加及布局

Tk提供了建立多種組件的命令，簡單的如button創建按鈕命令、entry創建單行輸入文本框等，窗口中各組件的合理布局主要通過組件管理器來設計，Tcl/Tk常用管理器包括pack：打包管理器；grid:柵格擺放管理器；place:定位擺放管理器.

(3)APDL與Tcl/Tk的結合

APDL命令可以很方便的與Tcl/Tk結合，可以通過調用ANSYS API函數來實現：

ans_sendcommand:向ANSYS數據庫傳遞APDL命令；

ans_getvalue:從ANSYS數據庫獲取變量值；

ans_getvector:從ANSYS數據庫中獲得向量值.

(4)窗口的撤銷

當窗口對話結束的時候，應該釋放掉它占用的資源，所以要在相應的過程中加入窗口撤銷語句，例如destroy.topwin命令

2.3 界面程序的調用方法

APDL可以很方便的與Tcl/Tk結合，可以通過調用ANSYS API函數來實現. 使用Tcl/Tk編寫的界面文件通常以.tcl為擴展名，假定文件名為filename.tcl，ANSYS可以通過以下方式來調用該文件：

命令行輸入有三種方式：

～tcl,’source filename.tcl’;

～tk,’source filename.tcl’;

～eui,’source filename.tcl’.

宏文件方式：

ANSYS自帶的toolbar組件還可以定制用戶化工具條按鈕，直接調用界面程序. 實現方法是：通過命令

ABBR,BPPE,～eui,’source filename.tcl’

3 應用實例

3.1 高速動車組塞拉門有限元模型

應用上述二次開發模板，根據《機械設計手冊》校核某高速動車組塞拉門吊裝模型門板與車體連接處8根螺栓(M8，8.8級)的連接強度. 塞拉門吊裝有限元模型采用空間四節點殼單元和六面體單元混合建模的方式，門板與車體連接處采用BEAM188單元模擬螺栓連接關系，有限元模型及螺栓編號如圖1所示.有限元模型的單元總數為190 470，節點總數為189 494.

圖1 有限元模型及螺栓編號

上述模型中，M8螺栓為8.8級，屈服極限為640 MPa；危險截面直徑6.647 mm，其預緊力矩T為22 N·m，預緊力Qp為13 750 N；根據實際模型計算M8螺栓承壓面積為26.4 mm2，許用擠壓應力為512 MPa；承剪面積為60.82 mm2，許用剪切應力256 MPa.

塞拉門的計算工況依據EN- 12663- 1∶2010標準規定的客運車輛附屬設備的標準載荷，由縱向3倍加速度、橫向1倍加速度、垂向(1±c)倍加速度三種情況組合為八種工況(c在此模型中近似取2).

3.2 連接強度分析結果

依據上述有限元模型進行計算，得到第三載荷工況下的計算結果如圖2、圖3所示：

圖2 塞拉門整體位移云圖

圖3 塞拉門整體應力云圖

啟動ANSYS螺栓通用后處理分析模塊BPPE(Bolt Post-Process Evaluation)按鈕，調用《機械設計手冊》評估參數設置界面(如圖4～圖6所示),依據《機械設計手冊》評估螺栓強度.

圖4 ANSYS自定義工具欄

圖5 后處理工具箱主窗口

圖6 評估過程參數設置窗口

以第三工況為例，對評估界面按要求進行參數設置、計算，并自動輸出計算結果，如表1所示：

表1 評估結果匯總

塞拉門門板與車體的連接螺栓有限元分析結果表明：基于《機械設計手冊》標準的等級為8.8級ISO4017- 1999 M8×30的螺栓工作應力小于螺栓的許用應力，滿足靜強度、擠壓強度和剪切強度設計要求.

4 結論

本文介紹了《機械設計手冊》中螺栓靜強度、擠壓強度和剪切強度的評估方法，結合APDL開發語言編制評估過程的宏命令，利用Tcl/Tk界面開發工具創建評估界面，并成功嵌入到ANSYS中. 實現了界面化輸入評估參數，自動計算并輸出計算結果，完善了ANSYS后處理功能，提高了用戶分析效率.

[1]孫志禮.機械設計[M].沈陽:東北大學出版社,2009:37- 49.

[2]中國機械工程學會.機械設計手冊[M].北京:電子工業出版社,2007.

[3]師訪.ANSYS二次開發機應用實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2012:8- 33.

[4]趙長勇,張系斌,翟曉鵬.基于ANSYS參數化語言APDL的結構優化設計[J].山西建筑,2008,34(3):362- 367.

[5]博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2004:10- 84.

[6]JOHN K.OUSTERHOUT KEN JONES.Tcl/Tk入門經典[M].2版,北京:清華大學出版社,2010:211- 295.

[7]BRENT WELCH/KEN JONES.Practical Programming in Tcl and Tk[M].America:Prentice-Hall PTR,1995:33- 216.

[8]BRENTB.WELEH.The Complete Tcl/Tk Training Course Second Edition[M].北京:電子工業出版社,2001:121- 232.

ANSYS based on Secondary Development of Bolts Link Strength Evaluation

GAO Jie,WANG Jian

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

This paper based on the vehicle connecting bolts as research object,aiming at ANSYS finite element analysis software for secondary development with the Tcl/Tk language.On the basis of “Mechanical Design Manual”,the static strength,compression strength and shear strength of railway vehicle connection bolt are studied.Combining with ANSYS APDL language,a variety of evaluation process integration is conducted,and the assessment interface is created.The visualization of the interface is realized and the automatic calculation of the evaluation process and result output are completed.

ANSYS;Tcl/Tk;bolt;secondary development

1673- 9590(2016)02- 0014- 04

2015- 05- 21

國家科技支撐計劃資助項目 (2013BAG21Q01)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目(2014J004-N)

高吉娥(1989-)，女，碩士研究生;王劍(1976-)，男，副教授，博士，主要從事車輛CAE關鍵技術研究E-mail:wangjian_126@163.com.

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