基于ANSYS Workbench有預緊力的高強螺栓群有限元分析

李金興 韓林山 周志強

摘 要：本文以1 600t造橋機為研究對象，采用SolidWorks軟件建立箱梁及螺栓群三維實體模型后，導入ANSYS Workbench對箱梁螺栓群進行有預緊力的有限元分析。計算結果可以為螺栓接頭的實際應用提供數據支撐，同時表明采用有限元分析方法可以更加全面、準確地指導架橋機的設計。

關鍵詞：ANSYS Workbench；高強螺栓群；有限元法；預緊力

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0090-03

Finite Element Analysis of High-strength Bolts Based on

ANSYS Workbench Under Preload

LI Jinxing HAN Linshan ZHOU Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources

and Electric Power， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In this paper， the 1 600t bridge machine was taken as the research object， the 3D models of box girder and bolts was established by SolidWorks software， and ANSYS Workbench was introduced to the finite element analysis of the bolt group of box girder. The calculation results provide a reference for the using of the high-strength bolts connection. At the same time， the finite element analysis method can be used to guide the design of bridge girder erection machine more comprehensively and accurately.

Keywords： ANSYS Workbench；high-strength bolts；finite element method；preload

造橋機也被稱為移動模架，是一種利用自身模板，進行逐孔移動澆筑砼梁的施工機械，被廣泛應用于道路施工和橋梁建設工程[1]。其主梁為高腹板箱梁式結構，各節箱梁間通過數量眾多的高強度螺栓進行連接。在傳統計算方法中，假設螺栓為彈性體，其變形在彈性范圍內，每個螺栓預緊力相同，結合面的壓強均布，被連接件為剛體，受載后結合面應保持平面接觸[2]。實際上，由于連接板的彈性變形，各排螺栓受力差異很大，特別是螺栓數目較多時更加明顯。在實際設計中，螺栓的取用偏安全性考慮，沒有完全發揮螺栓的性能，螺栓數量偏多。這不僅造成了螺栓浪費，而且給制造和安裝帶來了很多麻煩。

本文針對跨度達43m的1 600t移動模架造橋機為研究對象，利用Workbench軟件進行有限元分析，得到精確的應力分布狀況，完成應用于箱梁結構的螺栓群接頭的安全性校核，為下一步的優化設計提供基礎數據，為其實際應用提供理論支撐。

1 有限元模型的建立

單側主梁由5節箱梁段通過連接板和高強度螺栓連接而成。針對各節梁之間的位置特點，主要針對中間主梁接頭進行分析。中間兩節下主梁接頭1，其蓋板采用M30B（10.9級）級螺栓連接，腹板使用M27B（10.9級）級精制螺栓，如圖1所示。

在SolidWorks軟件中完成連接板及螺栓螺母的實體模型，并裝配模型，將裝配后的模型導入Workbench。建立的實體模型如圖2所示。

2 邊界條件的設定

裝配后的模型導入到Workbench中，由于各個零部件相互分離，在劃分網格離散化后，邊界是相互分離的，無法進行有限元分析，要對接觸面進行處理[3]。在Workbench中，定義的接觸如表1所示。

由于高強度螺栓通過預緊力使各部件間出現摩擦力來實現約束的效果。預緊力主要由于螺帽被擰緊，使螺桿受拉，將板件夾在中間，產生夾力，即預緊力。預緊力過大會使螺桿斷裂失效，過小則無法固定板件，使板件側移，螺栓松動，結構發生損壞。預緊力對高強度螺栓的承載力有著直接影響。高強度螺栓的預緊力矩計算如下：

Mt=0.001KP0d（N·m） （1）

式（1）中，K表示擰緊系數，此處取3.2；d表示螺栓公稱直徑；P0表示預緊力。

根據施工規范，螺栓建議擰緊范圍為216～312N·m，因此接頭處的螺栓預緊力如表2所示。

螺栓預緊力可以通過預緊力單元或者Bolt pretension命令施加，將預緊力載荷鎖定，然后施加其他載荷，即通過定義2個載荷步來實現螺栓預緊力的加載。

因為高強度螺栓連接主要是依靠預緊力使板材間產生摩擦來約束板材，因此，對于墊片與螺栓頭、墊片與連接板以及連接板與主梁或導梁板等部位間的接觸類型應選擇非線性接觸中的Frictional摩擦接觸，摩擦系數定義為0.3，螺栓與螺母間的接觸定義為綁定接觸。螺栓與連接板間的接觸示意圖如圖3所示。

在計算過程中，由于梁體的對稱結構，在分析時為了簡化計算，提高運行速度，導入一半模型進行分析。劃分網格線可以首先使用自動劃分的粗糙網格，依據計算結果，對應力集中的部位通過尺寸控制選項，加密網格；在實體模型的厚度方向上最好可以保證網格層數不低于2層，避免因實體單元只有3個自由度而引起的應力過大。尤其對于螺栓孔，由于與螺栓間有定義的摩擦接觸且施加了預緊力，要進行單獨加密，以保證計算結果的收斂性。

對主梁中間的單元載荷進行提取，載荷如表3所示。將此截面的載荷的50%施加到模型，并對主梁接頭1側截面施加約束后，如圖4所示。

3 結果與分析

通過分析可以發現，主梁接頭1的最大應力為207.66MPa（見圖5），發生在連接板上，最大變形量為0.703mm（見圖6）。其中上蓋板螺栓應力148.03MPa（見圖7），下蓋板螺栓應力為144.28MPa（見圖8），側面螺栓應力為111.09MPa（見圖9），箱梁連接板應力為207.66MPa（見圖10）。其均在許用應力之內，滿足使用要求。

4 結論

本文通過Workbench有限元分析軟件，完成對箱梁高強螺栓群的仿真分析，得出各部件應力分布云圖。通過對計算過程及結果的分析可以得出，運用有限元軟件可以提高計算效率，能夠為結構安全性評價提供理論依據，并為類似結構設計研究提供參考。

參考文獻：

[1]李方峰，汪芳進.拼裝式架橋機施工設計[J].鐵道工程學報，2012（9）：59-64.

[2]王斌華，呂彭民，吳紀生.造橋機主梁高強連接螺栓群的有限元計算[J].長安大學學報（自然科學版），2008（1）：97-100.

[3]韓林山，於進，鐘藝謀.基于ANSYS的胎帶機布料臂架全工況分析[J].施工技術，2013（18）：118-121.