連接件栓焊結合面動態特性因素仿真分析

王 媛 易 鑫 姜稀臏

（1.煙臺生產力促進中心，煙臺264000；2.煙臺大學 機電汽車工程學院，煙臺264000）

當機械結構連接剛度要求較高時，多采用焊縫連接和高強度螺栓連接，作為最普遍的并用連接形式，栓焊并用連接越來越受到設計者的重視[1-2]。為了得到準確的栓焊結合面數據，有必要研究栓焊結合面動態特性的影響因素。

對接式栓焊結合面中，影響栓焊結合面的影響因素有螺栓個數、螺栓預緊力、螺栓失效、焊縫失效、布局形式、表面的粗糙度、接觸之間的介質以及接觸狀態等[3-5]。針對栓焊結合面應用方式，本文主要研究螺栓預緊力和螺栓個數對結合面動態特性的影響。

1 栓焊結合面模型建立

1.1 栓焊連接件模型建立

首先建立對接式栓焊連接件模型，每個連接件采用兩個200mm×200mm的板材連接而成，材料為Q345，兩個連接件采用先栓后焊的方式進行連接，結合面尺寸是200mm×200mm，兩板由4個M6的螺栓連接，單個螺栓預緊力矩8N·m，焊條材料為E5015。在SOLLIDWORKS中建立對接式栓焊連接件的模型，如圖1所示。

1.2 栓焊結合面模型建立

焊縫建模時，在Workbench中導入模型后，設置焊縫材料為E5015焊條，設置焊條參數。按上述結合面的建模方法建立栓焊結合面模型，如圖2所示。

圖1 栓焊連接件模型

圖2 栓焊結合面模型

2 栓焊連接件動態特性分析

2.1 預緊力對結合面動態特性的影響

根據《緊固件國家標準》（Q/STB12.521.5-2000）可知，M6螺栓的螺栓等級為12.9，能承受的最大預緊力矩為20N·m。因此，設置預緊力分別為5N·m、10N·m、15N·m、20N·m時進行仿真試驗，由仿真結果得出四種預緊力振型基本一致，結果如表1所示。

由表1固有頻率可知，隨著螺栓預緊力的增加，栓焊連接件的固有頻率會增加，但對螺栓結合面的影響不是特別明顯。

表1 有限元仿真固有頻率對比

2.2 螺栓個數對栓焊結合面的影響

根據《鋼結構高強度螺栓技術規程2011》，螺栓間距L應滿足：

修正螺栓極限作用半徑為：

焊接結合面的尺寸為200mm×200mm，因此保證螺栓不相互干涉的螺栓最大個數為25個。設置結合面螺栓個數為4個、9個、16個、25個，分別進行有限元仿真分析，結果如表2所示。

表2 不同螺栓個數固有頻率對比

由仿真結果可以得出，在大于修正螺栓極限作用半徑范圍時，螺栓數目越多，連接件固有頻率越大，栓焊連接件的剛性越好。

3 結語

本文運用三維建模軟件SOLLIDWORKS和有限元軟件ANSYSWB，對對接式栓焊并用連接件進行有限元建模，分別改變螺栓預緊力、螺栓個數參數設置，進行動態特性仿真。結果表明，在螺栓所能承受預緊力范圍內，螺栓預緊力越大，連接件固有頻率越高，機械結構剛性越好；在大于螺栓極限作用半徑時，螺栓間距越接近極限作用半徑，連接件固有頻率越高，機械結構剛性越好。分析影響結合面動態特性的因素，對對接式栓焊并用連接件的應用具有一定的參考價值，節省了樣機試制耗費的時間、材料和管理成本，縮短了項目的研發周期。