液壓手動張拉機(jī)參數(shù)化有限元零件分析

在重型機(jī)械特別是大型化工機(jī)械、可拆卸的壓力容器及大型壓力機(jī)等設(shè)備的裝配中，常常需要大型螺栓連接，以保證聯(lián)接件間的有效、可靠的聯(lián)接，并確保其剛性和穩(wěn)定性，而螺栓預(yù)緊力是保證螺栓聯(lián)接質(zhì)量的重要因素。通常直徑較小的螺栓主要靠扳手?jǐn)Q緊螺母來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，而大型螺栓一般靠榔頭敲擊扳手或采用液壓扳手的方法，重要設(shè)備也可以采用螺栓加熱的方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。

拉伸桿是液壓手動張拉機(jī)的關(guān)鍵部件，在實(shí)現(xiàn)大型螺栓預(yù)緊的過程中承受了較大的拉伸力，故對其剛度和強(qiáng)度的要求較高。因此有必要對拉伸桿實(shí)現(xiàn)有限元參數(shù)化算法校核其剛度和強(qiáng)度。

一、液壓手動張拉機(jī)的工作原理

如圖1所示，液壓拉伸預(yù)緊技術(shù)利用液壓拉伸器完成螺栓的預(yù)緊工作，其工作原理是電動油泵輸出的高壓油經(jīng)高壓軟管輸送至液壓缸4，液壓缸4在預(yù)定的壓力作用下，產(chǎn)生拉伸力并通過拉伸桿1作用在被拉伸螺栓6上，隨著活塞桿的運(yùn)動，將被拉伸螺栓6拉伸達(dá)到某一伸長量(在材料的彈性范圍內(nèi))，這時，被拉伸螺栓6與螺母8之間出現(xiàn)縫隙，擰緊螺母8后，松卸加在螺栓上的載荷，完成螺栓的預(yù)緊工作。為了使螺栓的預(yù)緊力均勻，滿足密封要求，必須確保每個螺栓的伸長量均在計算允許的范圍內(nèi)，若某個螺栓的伸長量超長，則需進(jìn)行調(diào)整拉伸操作。

二、參數(shù)化有限元建模過程

1. 拉伸架有限元模型

為了實(shí)現(xiàn)零件的有限元參數(shù)化建模，在PCL語言讀入文檔中拉伸架的關(guān)鍵參數(shù)，讀入語句為

parametric_modeling_util.define_user_config_file (\"ZTB.txt\")

在“ZTB.txt”文件預(yù)先寫入被拉伸螺栓直徑M、拉伸螺栓旋合長度L、螺栓預(yù)緊力F。并且在PCL文檔里編制讀取參數(shù)信息，其語句為

讀入?yún)?shù)后由PCL語言自動實(shí)現(xiàn)建模、劃分網(wǎng)格。以及根據(jù)拉伸桿受力情況在液壓缸作用螺栓處建立MPC單元施加預(yù)緊力、在被拉伸螺栓連接處添加約束。得到當(dāng)前模型的有限元計算模型如圖2所示。

2.參數(shù)化計算過程

通過PCL語言實(shí)現(xiàn)拉伸桿模型自動提交分析并且讀入分析結(jié)果，其PCL語句如下:

analysis_import( \"MSC.Nastran\"， \"lashenjia\"， \"Attach Results File No Job\"，@

\"./lashenjia.xdb\"， TRUE )

三、參數(shù)化計算結(jié)果分析

根據(jù)大型螺栓的不同型號對應(yīng)了拉伸桿的不同結(jié)構(gòu)，本文針對使用50KN預(yù)緊力預(yù)緊M72、M80、M90三種型號的大型螺栓時所使用的拉伸桿結(jié)構(gòu)利用參數(shù)化有限元方法進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析(本文省略了mises應(yīng)力云圖和拉伸桿變形云圖)。

拉伸桿不同規(guī)格的應(yīng)力、變形計算結(jié)果如表1所示。由mises應(yīng)力云圖可知拉伸桿的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在與被拉伸螺栓連接部分的退刀槽處，大小均在270MPa左右。該位置由于發(fā)生了幾何尺寸突變故產(chǎn)生了較大的集中應(yīng)力，該現(xiàn)象可以用圣維南原理得到解釋。由表1可以看出隨著被拉伸螺栓直徑的增大，拉伸桿的應(yīng)力和變形都不斷增大。

當(dāng)施加在拉伸桿上的預(yù)緊力超過螺栓的彈性極限，即拉伸桿的相對伸長量大于彈性伸長量εE時，拉伸曲線不再是直線，這時拉伸桿的變形也不再是彈性變形。因此，在進(jìn)行拉伸時，如果液壓缸的壓力過大，就會使拉伸桿的拉伸變形超過彈性范圍，對拉伸桿造成損害。油壓與相對伸長量的關(guān)系圖如圖3所示。為此，必須根據(jù)計算結(jié)果確定合理的油壓p。可以通過大量的參數(shù)化有限元計算不同型號、不同油壓P產(chǎn)生的預(yù)緊力產(chǎn)生的拉伸變形得到拉伸桿的變形曲線從而得到彈性變形范圍。

圖3液壓缸油壓p與相對伸長量ε的關(guān)系

1)利用MSC.Patran和PCL語言實(shí)現(xiàn)了拉伸桿分析計算的參數(shù)化，節(jié)約了大量計算時間，消除了重復(fù)工作。

2)對預(yù)緊幾種大型螺栓所使用的拉伸桿進(jìn)行了參數(shù)化應(yīng)力應(yīng)變計算，并分析其計算結(jié)果。

3)提出了一種基于參數(shù)化有限元計算來確定油缸與拉伸桿相對伸長量關(guān)系的方法。

(作者單位:重慶大學(xué))