橫向載荷作用下螺栓連接松動過程仿真研究

江文強，墨 澤

(華北電力大學(xué)機械工程系，河北 保定 071003)

1 引言

常見的螺栓連接采用普通螺栓抗剪連接，由于螺栓預(yù)緊力較小，且連接件與被連接件之間存在構(gòu)造間隙，因此被連接件之間極易發(fā)生相對滑動。針對螺栓連接節(jié)點的力學(xué)性能，學(xué)者們對螺栓連接的滑移[1]、連接剛度[2]以及不同工況下螺栓連接節(jié)點的強度[3-5]等進行了研究。然而這些研究主要針對螺栓連接節(jié)點的靜力學(xué)性能，即使實際載荷工況為動態(tài)載荷時也常常將其等效為靜力載荷來處理[6]，顯然有時這不能代表動態(tài)載荷的全部作用效果。

橫向載荷作用下螺栓連接的松動常常表現(xiàn)為螺母與螺栓桿的相對轉(zhuǎn)動。在相同的預(yù)緊力作用下，擰緊螺母所需的力矩大于螺母松退時的力矩，從而不少學(xué)者認(rèn)為該力矩差是造成螺栓連接松動的原因[7-8]。同時，螺栓在動態(tài)載荷下接觸界面之間的磨損[9]以及螺紋面摩擦副之間的局部變形[10-11]也會導(dǎo)致 螺栓連接的松動。于是部分學(xué)者針對螺栓松動的影響因素和螺栓松動的臨界載荷進行了理論和實驗研究，為螺栓松動的分析提供了相關(guān)參考[12]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，建立考慮螺紋的螺栓連接節(jié)點模型，采用有限元仿真分析的方法，對螺栓連接松動過程進行分析，研究影響螺栓連接松動的參數(shù)，揭示其對螺栓松動的影響規(guī)律。

2 螺栓連接節(jié)點有限元模型

如圖1所示，目前研究較多的螺栓連接結(jié)構(gòu)為螺栓連接兩被連接件，即單肢螺栓連接。然而在一些承載較大的主要連接節(jié)點常采用雙肢搭接，此時螺栓連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，螺栓松動對結(jié)構(gòu)的承載往往有較大的影響。

圖1 常見螺栓連接結(jié)構(gòu)

為此，本文根據(jù)雙肢搭接螺栓連接節(jié)點的特點建立了如圖2所示的螺栓連接節(jié)點模型。

圖2 節(jié)點簡化模型

連接板的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，螺栓為6.8級M12×40標(biāo)準(zhǔn)六角螺栓。在有限元分析過程中采用多線性模型模擬實際材料的應(yīng)力應(yīng)變的變化過程。在接觸對設(shè)置上，將螺栓以及中間的連接板設(shè)為接觸面，其余為目標(biāo)面。所有實體模型采用三維20節(jié)點Solid 186單元，其有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

為了分析不同接觸參數(shù)對螺栓連接滑移過程的影響，以常用螺栓接觸摩擦系數(shù)介于0.15～0.25之間作為參考，本文建立了如表1所示的9種模型，分別將螺母與連接板，連接板與連接板，螺栓與螺母以及螺栓桿與連接板的摩擦系數(shù)設(shè)為0.15、0.20、0.25。本文所施加的螺栓預(yù)緊力為25kN。

表1 不同摩擦系數(shù)組合

對螺栓連接節(jié)點左端固定，右端施加位移約束，載荷方向沿圖示x軸正向。為了后續(xù)說明的方便，將左側(cè)螺栓命名為螺栓A，右側(cè)命名為螺栓B。如圖4所示，分析過程中共施加10個周期的循環(huán)位移載荷，為了加載過程保證兩個螺栓能夠受剪，位移幅值設(shè)置為3.3mm。

圖4 位移時程圖

3 螺栓連接松動過程仿真

根據(jù)有限元模型和約束條件對螺栓連接節(jié)點的松動過程進行仿真，下面對結(jié)果進行討論。

3.1 載荷-變形過程

圖5為9種模型的載荷-位移曲線，可以看出模型5的滑移載荷明顯高于其它模型。對比表1中模型參數(shù)，模型5對應(yīng)的連接板之間的摩擦系數(shù)最大，可見該部位的摩擦系數(shù)越大，滑移載荷也越大。

對比圖5中模型1、2、3可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺栓與連接板間摩擦系數(shù)的增大，載荷-位移曲線變得越加飽滿。對比圖5中模型1、4、5的載荷-位移曲線，可以看出隨著連接板間摩擦系數(shù)的增大，曲線形狀也明顯變得飽滿，且變化程度要明顯大于模型1、2、3?？梢姼淖冞B接板間摩擦系數(shù)對載荷-位移曲線的影響要遠(yuǎn)大于改變螺栓與連接板間的摩擦系數(shù)的影響。對比圖5中模型1、6、7、8、9可以看出，其載荷-位移曲線變化不大，可見改變螺栓與螺母之間、螺栓桿與連接板之間的摩擦系數(shù)對載荷-位移曲線幾乎沒有影響。

圖5 螺栓連接節(jié)點的載荷-位移曲線

如圖6所示為模型1在1s和2s時刻的位移云圖，其它模型計算結(jié)果與此類似，這里不再贅述。圖6(a)可以看出在1s時，中間連接板首先發(fā)生滑移。隨著載荷增大，如圖6(b)，在2s時上下連接板也相繼發(fā)生滑移，螺栓B的位移明顯增加?？梢妼τ陔p剪切螺栓連接節(jié)點，會存在明顯的二次滑移過程。從圖5(a)第一周期的載荷-位移曲線可以看出，第二次滑移的載荷為第一次滑移載荷的2倍。

圖6 位移云圖(模型1)

3.2 螺栓預(yù)緊力變化過程

為了直觀地分析橫向載荷作用下螺栓預(yù)緊力的變化情況，繪制9個模型的螺栓預(yù)緊力隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 螺栓預(yù)緊力時程曲線

如圖7所示，在前期螺栓預(yù)緊力降低較快，后期則呈現(xiàn)出周期性降低的特點，因此可以將螺栓預(yù)緊力的松動過程分為兩個階段來處理。顯然，不同模型螺栓松動的兩個階段變化規(guī)律也不盡相同。與此同時，兩個螺栓的預(yù)緊力變化過程基本一致，所有模型的螺栓預(yù)緊力都是周期性變化的，且變化周期都與外載荷周期相同。以圖7(a)中第一個加載周期為例，在0～2s節(jié)點受拉，隨著橫向位移的增大，螺栓預(yù)緊力逐漸減?。辉?s～4s節(jié)點反向受壓，隨著橫向位移逐漸減小，螺栓預(yù)緊力逐漸增大；此后4s～6s節(jié)點繼續(xù)受壓，此時螺栓預(yù)緊力開始減小，當(dāng)節(jié)點達(dá)到橫向位移最小值時，螺栓預(yù)緊力也減小到該載荷周期內(nèi)的最小值；在6s～8s節(jié)點反向受拉，螺栓預(yù)緊力又開始增加，當(dāng)節(jié)點回到原始位置時，螺栓預(yù)緊力也增加到新的峰值。一個循環(huán)周期后螺栓預(yù)緊力的峰值和谷值都逐漸減小，也就是螺栓預(yù)緊力減小，螺栓出現(xiàn)了松動現(xiàn)象。

3.3 螺紋接觸狀態(tài)分析

如圖8所示為螺栓B在0s、2s、4s和6s時刻的螺紋接觸狀態(tài)，分別對應(yīng)了第一個載荷周期內(nèi)的初始、最大拉力、平衡位置以及最大壓力四個狀態(tài)。圖中紅色代表接觸處于附著狀態(tài)，橙色代表滑動狀態(tài)，其上部為螺母支撐面。

圖8 螺母螺紋接觸狀態(tài)(螺栓B)

在0s時節(jié)點處于預(yù)緊狀態(tài)，無橫向載荷作用。此時靠近螺母支撐面的上部螺紋接觸面出現(xiàn)局部滑移，而下部螺紋接觸面依然處于附著狀態(tài)，這會使得螺栓桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。螺栓桿存儲下來的這部分變形能在螺栓松動的初期會快速釋放，使得第一個循環(huán)周期螺栓預(yù)緊力出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象。

在2s時，橫向載荷沿x軸正向，且處于最大拉力狀態(tài)。螺紋靠近支撐面的第一圈螺紋x軸正向側(cè)出現(xiàn)了局部滑移現(xiàn)象；在4s時，節(jié)點回到平衡位置，螺紋無明顯滑移現(xiàn)象；在6s時，橫向載荷沿x軸負(fù)向，且處于最大壓力狀態(tài)。螺紋靠近支撐面的第一圈螺紋x軸負(fù)向側(cè)同樣出現(xiàn)了局部滑移現(xiàn)象。由此可見，在一個載荷循環(huán)過程中，靠近螺母支撐面的螺紋發(fā)生了整體滑移，由此產(chǎn)生的變形以應(yīng)變能的形式存儲起來，并隨著時間的積累逐漸向下部螺紋進行擴展，從而導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力減小。

4 參數(shù)影響討論

圖9為每個載荷循環(huán)后螺栓預(yù)緊力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。本節(jié)將所有模型分為四組進行討論，第一組：模型1、2、3；第二組：模型1、4、5；第三組：模型1、6、7；第四組：模型1、8、9。

圖9 螺栓預(yù)緊力-循環(huán)次數(shù)關(guān)系

通過第一組模型的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺母與連接板之間摩擦系數(shù)的增加，螺栓松動第一階段螺栓預(yù)緊力的衰減速度會增加。在螺栓松動的第二階段，隨著螺母與連接板之間摩擦系數(shù)從0.15增加到0.2，螺栓預(yù)緊力的衰減速度急劇增大，但當(dāng)摩擦系數(shù)超過0.2以后，衰減速度幾乎不再增加。

通過第二組和第四組模型的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著連接板間摩擦系數(shù)或螺栓桿與連接板間摩擦系數(shù)的增加，螺栓松動第一階段螺栓預(yù)緊力的衰減速度略有減小。在螺栓松動第二階段各自的三個模型衰減速度均相差不大。

通過第三組模型的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺紋接觸面之間摩擦系數(shù)的增加，螺栓松動第一階段螺栓預(yù)緊力的衰減速度顯著減小。在螺栓松動第二階段，隨著螺紋接觸面之間摩擦系數(shù)從0.15增加到0.2，螺栓松動現(xiàn)象顯著降低，但當(dāng)摩擦系數(shù)超過0.2以后，其對螺栓松動的影響就顯著減小。

表2所示為循環(huán)加載完成后螺栓的殘余預(yù)緊力及其減小幅度。從表中可以看出，模型2、3的螺栓預(yù)緊力的減小幅度最大，即螺母與連接板之間摩擦系數(shù)對螺栓松動的影響最大。模型6、7螺栓預(yù)緊力的減小幅度最小，即螺栓與螺母之間摩擦系數(shù)的增加使得螺栓預(yù)緊力減小幅度降低。模型1、4、5、8、9的殘余預(yù)緊力差別不大，即連接板之間以及螺栓桿與連接板之間摩擦系數(shù)對螺栓松動影響不大。

表2 循環(huán)結(jié)束后螺栓預(yù)緊力

5 結(jié)論

本文以橫向循環(huán)載荷作用下雙肢搭接的螺栓連接結(jié)構(gòu)為研究對象，建立了節(jié)點的精細(xì)化有限元模型，通過分析研究了不同參數(shù)條件下螺栓的松動特性，主要研究結(jié)論如下：

1)在橫向載荷作用下，雙肢搭接螺栓連接存在兩次滑移現(xiàn)象，連接板之間的摩擦系數(shù)對節(jié)點的載荷-位移曲線影響最大，且該部位摩擦系數(shù)越大，載荷-位移曲線越飽滿。

2)在橫向循環(huán)載荷作用下，第一階段螺栓預(yù)緊力會迅速下降，而第二階段則主要呈現(xiàn)周期性衰減。

3)螺栓預(yù)緊力降低從靠近螺母支撐面的第一圈螺紋開始，并隨著橫向循環(huán)載荷的作用，逐漸向下部螺紋進行擴展。

4)增大螺母與連接板間摩擦系數(shù)，螺栓松動顯著加快；螺紋接觸面間摩擦系數(shù)的增大對防止螺栓松動有利，會大大降低螺栓預(yù)緊力的衰減速度。連接板間以及螺栓桿與連接板間摩擦系數(shù)對螺栓松動的影響相對較小。