螺栓預緊力的加載方法研究

冷 駿

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

螺栓預緊力的加載方法研究

冷 駿

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

螺栓預緊力的準確加載對于螺栓應力分析以及螺栓聯接組件的受力特性分析起著至關重要的作用。本文以某型調距槳葉根螺栓為分析模型，在有限元分析軟件中建立計算模型，采用仿真分析的方法對螺栓預緊力的加載方法進行研究，建模分析計算表明，兩種計算方法均能有效地模擬螺栓的預緊效果。

螺栓預緊力；加載方法；有限元分析

0 引言

螺栓連接是機械設備中廣泛使用的緊固件之一，方便拆卸、連接緊固，多用于受力復雜部位及重要的接頭處，其使用環境和受力特性表明螺栓往往是此類連接中的薄弱環節。

為了增強連接的剛性、緊密性、防松能力與疲勞壽命，多數螺栓連接在裝配時須對螺栓施加穩定而可靠的預緊力。所施加的預緊力既要保證螺栓連接的質量要求，又要滿足螺栓的強度要求。預緊力過大往往會導致聯接失效，特別是在密封連接的情況下，預緊力過大，密封墊片會被壓死而失去彈性，甚至會出現螺栓強度不足而斷裂；過小的預緊力又使受壓后的被連接件表面的殘余壓緊力達不到工作密封比壓，從而導致密封不嚴，而且受工作載荷后螺栓連接容易因應力幅過大而發生疲勞破壞。一般規定預緊后的螺栓聯接組件中螺栓軸向截面應力不得大于其材料屈服極限σs的80%。對于一般聯接用鋼制螺栓，推薦用預緊力限值為：碳素鋼螺栓，F0=(0.6～0.7)σs·As；合金鋼螺栓，F0=(0.5～0.6)σs·As，σs為螺栓材料的屈服極限，As為螺栓螺桿小徑截面積。

在連接結構有限元分析中，螺栓預緊力的準確加載對于螺栓應力分析以及螺栓聯接組件的受力特性分析起著至關重要的作用。本文以某型葉根螺栓為分析模型，在有限元軟件中建立計算模型，采用仿真分析的方法對螺栓預緊力的加載方法進行研究，并比較不同加載方法計算結果的差異。

1 預緊力加載方法研究

1.1 預緊力換算

調距槳葉根連接組件由葉根法蘭、曲柄盤、葉根螺栓組成，葉根法蘭和曲柄盤通過葉根螺栓連接在一起。為防止承受工作載荷作用后葉根法蘭與曲柄盤之間產生縫隙或相對滑移，葉根螺栓在裝配時須承受足夠的預緊力以滿足聯接的可靠性與緊密性。

工程中常用的螺栓預緊方式有測量螺栓伸長量法、測定螺母旋轉角法、以及控制螺栓的擰緊力矩法等，調距槳葉根螺栓一般通過控制螺栓的擰緊力矩來控制預緊力，采用扭矩扳手擰緊螺帽達到規定的擰緊力矩即表明螺栓預緊力達到額定值。而在強度校核或其他方面的計算中，須將擰緊力矩換算成螺栓所受的軸向力。

圖1 葉根螺栓擰緊力矩與預緊力的換算關系圖

螺栓擰緊時，擰緊力矩等于螺紋副的螺紋阻力矩及螺母與被聯接件支承面間的端面摩擦力矩之和（圖 1）。擰緊力矩與螺栓預緊力間的關系為：

式中，T為螺帽所受擰緊力矩，P為螺栓預緊力，dcp為螺栓螺紋中徑，α為螺紋升角，ρ為螺紋副當量摩擦角，，f為螺紋副平面當量摩擦系數，β為螺紋牙型角（對于標準螺紋，β=60°），μ為螺栓帽與法蘭螺孔支承面間的當量摩擦系數，d2、d1分別為螺栓螺帽與葉根法蘭接觸面環形區域的外徑、法蘭螺栓孔直徑。

在某型調距槳葉根螺栓設計中，螺紋副當量摩擦系數f、螺帽與法蘭螺孔支承面間的當量摩擦系數μ均取0.11，通過上述公式換算得出螺栓預緊力為P= 689kN，螺栓螺桿直徑為D=48mm，截面平均軸向應力為。

1.2 預緊力加載方法

在有限元軟件MSC.Marc中模擬螺栓預緊力，主要可以通過截面法、滲透接觸法、等效力法來實現。其中，等效力法將螺桿所承受的軸向拉力等效為多個集中力或者一個面壓力，然后對預緊螺栓作用的聯接結構直接施加等效荷載，這種方法不建立預緊螺栓的有限元模型，不能直觀地反映螺栓及其連接件的受力特性。因此，本文擬采用截面法、滲透接觸法兩種方法模擬螺栓預緊力。

1.2.1 截面法

通過螺桿某處橫截面將螺桿截斷，分別定義為截面A、B（圖2）。在截面外創建一控制點（control node），并與截面A、B建立overclosure tying連接用以控制截面A、B的相對位移，在控制點上以邊界條件的方式施加預緊力P，實現對螺栓預緊作用的模擬。

圖2 截面法施加預緊力示意圖

1.2.2 滲透接觸法

在預應力鋼筋混凝土中預應力的施加有“先張法”、“后張法”等，滲透接觸法即采用與“先張法”類似的處理方法。

建立計算模型時，將有限元模型中螺桿某截面上部結點整體下移一定距離，亦即縮短螺桿長度。然后再將一定的位移載荷（此位移載荷應大于計算模型中螺栓結點下移距離）以邊界條件的方式施加于這些結點上，使得螺栓螺帽下端面高于法蘭螺孔上端面，此時螺桿被拉長。釋放結點位移載荷后，經拉伸變形的螺桿有回彈的趨勢，此時定義螺栓螺帽下沿與法蘭螺孔上沿之間的接觸關系，當兩者等高時發生接觸變形。由于法蘭具有一定的剛度，螺桿拉伸變形不能完全恢復，螺桿截面存在拉緊應力，也就是預緊力效果。整個過程如圖3所示。

圖3 滲透接觸法施加預應力示意圖

2 有限元分析

2.1 建模

以某型調距槳葉根螺栓為研究對象，選取單個葉根螺栓連接組件進行仿真建模，將幾何模型導入Hypermesh，劃分為八節點六面體單元，生成用于MSC.Marc靜力學接觸分析所需的有限元模型，如圖4所示。

圖4 有限元分析模型

曲柄盤與法蘭劃分為六面體網格，單元數分別為3320和2180，結點數分別為4288和3336，如圖5所示。

圖5 曲柄盤和法蘭網格圖

葉根螺栓劃分為六面體網格，單元數為 216432，結點數為 227920，倒角處由于存在應力集中，需對其網格進行加密，如圖6所示。

2.2 材料參數

在計算模型中定義葉根法蘭為銅制材料，曲柄盤、葉根螺栓為鋼制材料，模型材料參數詳見表1。

圖6 葉根螺栓網格圖（右圖為局部放大視圖）

表1 有限元分析模型材料參數

2.3 接觸關系

在計算模型中，曲柄盤上表面與葉根法蘭下表面，葉根螺栓螺帽和法蘭上表面之間存在接觸，在Marc中采用接觸迭代算法，接觸面間的摩擦方式設定為庫倫摩擦，摩擦系數均設定為0.11。

在有限元分析中，對螺栓連接的處理方式為忽略螺紋嚙合，直接將螺栓與連接件綁定在一起。在本次有限元仿真分析中，葉根螺栓的處理方式可借鑒這種方法，將葉根螺栓與曲柄盤綁定成一體。

2.4 加載與結果分析

將曲柄盤與葉根法蘭的兩端面采用固定約束，并對螺栓采用上述兩種方法施加預緊力，提取螺桿截面軸向應力并與理論計算值進行比較。

由圖7可見，兩種預緊力算法得到的螺栓截面軸向應力云圖基本一致，分布狀態相差不大。提取此界面各節點的軸向應力值并作平均處理，可得截面軸向平均應力，如表2如示。

通過兩種計算方法所得螺栓截面軸向應力云圖以及螺栓截面軸向平均應力的比較可知，采用兩種計算方法均能有效地模擬螺栓的預緊效果。

圖7 兩種算法的葉根螺栓截面軸向應力云圖

表2 兩種算法下螺栓截面軸向平均應力

3 結論

截面法中將預緊力以集中載荷的形式施加于螺栓截面控制點上，理論上是合理的而且是理想的，因此所得螺栓截面軸向平均應力與理論計算值相差不大；滲透接觸法通過比較螺栓螺桿截面平均軸向應力與理論值的差異調整螺桿長度的縮減量，通過試算可與理論計算值無限接近，但在考慮到計算時間、資源等成本的情況下，僅對其進行了若干次試算，便得到理想的結果。因此，在對螺栓組件進行有限元仿真分析中，采用截面法和滲透接觸法均能真實有效地模擬螺栓的預緊效果。

[1]李會勛, 胡迎春, 張建中.利用 ANSYS模擬螺栓預緊力的研究[J].山東科技大學學報, 2006(10): 65-68.

[2]吳庭翱.基于經典計算和有限元方法的液壓聯軸器設計[J].機電設備, 2011(12): 28-30.

[3]趙云飛, 徐定耿, 賀寅彪.基于初應變理論的螺栓預緊力加載方法在應用[J].原子能科學技術, 2008(2):71-74.

針對漂浮型海上機組結構維護的決策支持系統即將完成

據必維國際檢驗集團船級社透露，一項創新的海上項目決策支持系統即將開發完成，此系統是專門針對海上漂浮型機組的結構維護設計的。此項創新可為所有形式的海上可再生能源電站實現成本及能耗的顯著節省。

此系統是在Eurogia+項目的框架下開發的，Eurogia+項目是歐洲聚落計劃Eureka Cluster專門針對低碳能源的子項目。項目參與方包括：必維國際檢驗集團，Materiaal Metingen Europe，Liège大學，DN&T，以及Ifremer。各參與方已經合作開發完成了海上漂浮型機組結構維護的原型軟件，預計幾個月內項目將全部完成。

必維國際檢驗集團船舶服務項目部經理Philippe Renard指出：“由于海上漂浮型機組持續經受風和海浪的作用，因此進入機組比較困難。因此，海上漂浮型風電場的盈利能力主要取決于合理的項目初始設計以及項目運營階段優化的檢驗、維護、維修方案（IMR）。”

必維國際檢驗集團全壽命周期&資產完整性管理系統項目整合多領域方案，包括：檢驗現場模擬，基于風險控制的檢驗，概率計算，針對機組動態分析和應力分析的流體動力學時域計算。各單元結合有限元結構及疲勞分析，為各機組制定3D幾何模型，并參考海上OpenHCM標準。

Philippe Renard解釋說：“設計師在早期設計階段就將IMR系統引入交互設計中，從而優化全生命周期成本，并用于計算預期收益。設計的下一個階段中，測量的環境數據，檢驗、維修結果將再次引入到系統中，并由此確定最終的IMR方案。最終結果是通過這種低碳技術降低電力輸送的度電成本。這個項目是針對漂浮型海上機組開發，不過它也可直接應用于固定式的海上機組及廣泛用于任何類型的海上可再生能源電站?！?/p>

振華重工獲巴西128艘駁船船體建造合同

2月18日晚間振華重工發布公告稱，公司近日與巴西HDB（Hidrovias Do Brasil）公司旗下Girocantex Sociedad Anonima公司簽署總計128艘鐵礦石駁船的建造合同，合同總價約為1.14億美元，折合人民幣約7.11億元。預計將于2013年至2014年間分批交貨。此次訂單是振華重工截止目前為止簽訂的最大規模的船體制造合同。根據合同要求，振華重工將提供包括鐵礦石駁船的設計、建造，以及完成運輸卸船交貨的服務。該批駁船主要用于HDB與巴西淡水河谷簽訂的25年運輸業務。

The Loading Approaches of Bolt Pre-tightening Force

LENG Jun
(Navy Representative Office of NO.704 research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

The precise loading approaches of the bolt pre-tightening are of great importance to the stress analysis of the bolt and the suffered-force analysis characteristic of the blot join discreteness.The leaf root bolt of the controllable pitch propeller oar is taken as example.The calculating model is constructed by finite element software; the simulating analysis is applied in the loading approach of the bolt pre-tightening force, the result shows that both of the two approaches could simulate the bolt pre-tightening effectively.

bolt pre-tightening force; loading approach; finite element analysis

TH16

A

冷駿（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶輪機工程。