基于ANSYS減小接觸應(yīng)力的輕量化車用螺母的優(yōu)化分析

陳明全 張建

【摘 要】 為了提高車用螺母的安全性、可靠性和輕量化，簡化車用螺母的實驗過程，本文運用ANSYS軟件對緊固件螺母進行優(yōu)化，直觀地觀察了六角螺母在預(yù)緊力作用下的力學特性，對六角螺母的受力情況進行了靜力分析。結(jié)果表明：優(yōu)化前，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都比較大，優(yōu)化后，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都相應(yīng)減小；在預(yù)緊力作用下，通過應(yīng)力釋放槽能夠降低螺母結(jié)合面上會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；在施加相同擠壓力的情況下，應(yīng)力釋放槽起到了釋放應(yīng)力的效果，減小了螺母的接觸面承受的接觸應(yīng)力，提高了螺母的力學性能；優(yōu)化后六角螺母的受力情況和輕量化明顯優(yōu)于優(yōu)化前，因此，合理加工應(yīng)力釋放槽即可實現(xiàn)汽車輕量化的目的，又可改善螺母的力學性能。

【關(guān)鍵詞】 ANSYS；螺母；輕量化；優(yōu)化

[Abstract] In order to improve the safety， reliability， and lightweight of the vehicle nut， simplify the vehicle nut process of the experiment， nut optimization analysis of the fastener using ANSYS software in this paper， visually observed whole process of the hexagonal nut mechanical properties under the preload and the hexagonal nut force condition static analysis. The simulation results showed that the hexagonal nut minimum and maximum von Mises stress was bigger before structure optimization， the hexagonal nut minimum and maximum von Mises stress was bigger reduced， local stress concentration of the nut combined surface can produce through stress release groove under the preload， stress release realized and contact stress of the nut was reduced under the same extrusion force， and the nut mechanical properties was improve as the same time， the force and weight of the nut were more superior after optimization， therefore， reasonable stress release glove can achieve light weight， and can improve the mechanical properties of nut.

[Key words] ANSYS； nut； lightweight； optimization

建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會一直是社會各界關(guān)注的焦點，由于石油的不可再生性和當前的不可替代性，上世紀80年代，發(fā)達國家汽車制造廠商為提升產(chǎn)品的核心競爭力，加快了汽車輕量化的研究，我國雖然在汽車輕量化方面的研究起步較晚，但近年來對汽車輕量化材料、連接工藝等關(guān)鍵技術(shù)也開展了廣泛地研究。近年來，復(fù)合輕型材料在汽車行業(yè)中所占的比重越來越大，隨著當前社會對汽車安全性、舒適性及節(jié)能環(huán)保的要求越來越多高，在確保汽車可靠性和安全性能的前提下，最大限度地減輕汽車部件的質(zhì)量已成為汽車行業(yè)的一個研究熱點，因此輕量化設(shè)計及研究具有很強的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值 [1-5]。

螺母是將機械設(shè)備緊密連接起來的零件，通過內(nèi)壁上的螺紋將同等規(guī)格螺母和螺栓連接在一起。在螺栓預(yù)緊力作用下，螺栓孔與螺母結(jié)合面上會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果最大應(yīng)力大于螺栓孔材料的屈服強度，螺栓孔區(qū)域附近的材料將會發(fā)生變形，因而會影響到其使用性能，在保證強度和可靠性的前提下，本文運用ANSYS軟件對緊固件螺母進行優(yōu)化，以進一步減少車輪質(zhì)量，降低成本[6-7]。

1 仿真模型的建立

Solidworks和ANSYS的系統(tǒng)默認坐標系都是笛卡爾坐標系，因此建立的模型導(dǎo)入時視圖方向不發(fā)生變化。文采用Solidworks軟件建立GB/T41M24的六角螺母仿真模型，優(yōu)化前的模型如圖1所示，優(yōu)化后模型是在普通六角螺母的周圍表面均布開有應(yīng)力釋放槽，如圖2所示，將該模型導(dǎo)入ANSYS軟件中對六角螺母進行賦值，然后進行體網(wǎng)格劃分，分別如圖3和圖4所示，材料的密度為7.2×103kg/m3，彈性模量為1.1×105MPa，泊松比為0.3[6-11]。

2 仿真模型的設(shè)定

（1）六角螺母單元定義為SOLID185單元。

（2）忽略六角螺母自身的重力。

（3）模型下表面沿Z軸方向施加40MPa的壓力。

（4）模型上表面施加全約束。

（5）模型的下表面定義為接觸表面。

（6）模型材料為各向同性。

3 仿真分析

在預(yù)緊力作用下，在40 MPa壓力作用下螺母表面與連接件表面緊密接觸，從圖5和圖6中可以看出，優(yōu)化前螺母的最大等效應(yīng)力位于上下螺紋孔周邊，其最大等效應(yīng)力為185 MPa，最小等效力為1.77 MPa，最大位移為1.54×10-5mm，螺母接觸面的等效應(yīng)力主要集中在22.1MPa～42.5 MPa范圍之間。優(yōu)化后螺母的最大等效應(yīng)力同樣位于接觸面上螺紋孔周邊，其等效應(yīng)力最大為142 MPa，最小等效應(yīng)力0.84 MPa，最大位移為1.56×10-5mm，螺母接觸面的等效應(yīng)力主要集中在16.5MPa～32.2 MPa范圍之間。優(yōu)化后六角螺母的等效應(yīng)力明顯比優(yōu)化前優(yōu)。因此，可以看出在施加相同擠壓力的情況下，應(yīng)力釋放槽起到了釋放應(yīng)力的效果，降低了螺母的接觸面承受的接觸應(yīng)力，提高了螺母的力學性能。

4 質(zhì)量分析

在Solidworks中賦予材料的物理屬性，密度為7.2×103kg/m3，彈性模量為1.1×105MPa，泊松比為0.3，然后在質(zhì)量特性中計算出模型的質(zhì)量，從圖7和圖8中可以看出，優(yōu)化前螺母的質(zhì)量為0.397kg，優(yōu)化后螺母的質(zhì)量為0.362kg，優(yōu)化后螺母質(zhì)量減輕了約8.8%。

5 結(jié)論

在保證安全性和可靠性的前提下，輕量化是人們所關(guān)心的熱點問題，運用ANSYS軟件對螺母釋放應(yīng)力且輕量化的文獻報道甚少。本文運用ANSYS軟件對六角螺母的受力進行分析，分析了六角螺母的應(yīng)力釋放槽在緊固過程中對連接件的影響。得到以下結(jié)論：

（1）優(yōu)化前，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都比較大。

（2）優(yōu)化后，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都相應(yīng)有所減小。

（3）在螺栓預(yù)緊力作用下，通過應(yīng)力釋放槽能夠降低螺栓孔與螺母結(jié)合面上會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）在施加相同擠壓力的情況下，應(yīng)力釋放槽起到了釋放應(yīng)力的效果，減小了螺母的接觸面承受的接觸應(yīng)力，提高了螺母的力學性能。

（5）優(yōu)化后六角螺母的受力情況和輕量化明顯優(yōu)于優(yōu)化前。

本仿真有助于深入了解螺母應(yīng)力釋放槽對連接件的影響，通過優(yōu)化六角螺母的結(jié)構(gòu)，降低制造成本；有助于了解螺母在預(yù)緊力情況下應(yīng)力產(chǎn)生和存在的規(guī)律；有利于提高六角螺母的使用性能和輕量化，減少因應(yīng)力失效而引起的破壞性事故；簡化六角螺母結(jié)構(gòu)的實驗過程，為探索六角螺母的安全性、可靠性及輕量化提供了一種新方法。有必要進行深入研究合理地選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)、應(yīng)力釋放槽的形狀、動載荷下六角螺母的受力情況及防松效果等[9-11]，本仿真還有待進一步的試驗驗證。

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