高強度螺栓受拉連接中撬力的有限元模擬

摘 要：螺栓連接受拉時，如果連接板或多或少會有些變形，當板厚較小而變形較大時，螺栓收到撬開作用而出現附加撬力和彎曲現象。該文對這種撬力進行了有限元模擬，揭示撬力的分布狀態。

關鍵詞：高強螺栓 連接 受拉 撬力

中圖分類號：TU318.4文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0087-01

1 概述

拉力經上翼緣通過高強螺栓傳遞給端板，外伸端板在較大拉力作用下會發生一定的彎曲變形，而此時端板對于螺栓的作用相當于杠桿作用，端板由于彎曲變形的擠壓作用產生接觸力，即撬力（如圖1所示）。由于杠桿作用影響，高強螺栓受到的拉力大于實際理論計算值，因此對外伸端板連接的撬力進行深入分析和研究是非常有必要的。

2 有限元模型

本模型取1/2半結構（圖2），底座和蓋板通過螺釘聯系在一起，底座固定。各部件的材料特性為彈性模量E=210000 MPa，泊松比μ=0.3。各接觸面之間的摩擦系數為0.15。底座尺寸為320 mm×80 mm×44 mm，兩個螺栓之間的距離為100 mm。螺釘采用8.8級M22高強度螺栓。8.8級M22的高強螺栓的設計預拉力值為P=150 kN。蓋板的尺寸為400 mm×200 mm×16 mm，T型部分伸出40 mm，寬度為16 mm，螺栓到T板的距離為42 mm。

螺栓和底座建立tie約束，蓋板和底座建立interection接觸，螺栓與蓋板相接觸的面和蓋板上表面建立接觸。

3 分步計算

分析共分為五個分析步：

（1）第一個分析步中，在蓋板的端面上定義臨時的固支邊界條件，在螺栓上施加很小的預緊力10N，讓各個接觸關系平穩地建立起來。

（2）第二個分析步中，去掉蓋板端面上的固支邊界條件，保持螺栓上的10 N預緊力不變。

（3）第三個分析步中，建立預緊力。將螺栓中的預緊力增加到75 kN，由于取得是半結構，所以荷載也只取1/2。

（4）第四個分析步中，將螺栓上的預緊力改為固定螺栓的長度。

（5）第五個分析步中，在頂部施加150 kN的拉力，換算為pressure均布力為234.375 MPa，應力云圖如下所示（縮放系數為100），分析結果如圖3所示。

4 結語

高強度螺栓在承受外拉力之前，螺桿中存在很大的預拉力P，板層之間存在與之相平衡的壓緊力C，P與C是等值反向的。

撬力這種杠桿作用存在于所有螺栓的抗拉連接中。研究表明，當螺栓所受外拉力N≤0.5 P時，連接不出現撬力；撬力Q大約在N達到0.5 P時開始出現，即將近80 kN時開始出現。起初增加緩慢，以后逐漸加快，到臨近破壞時因螺栓開始屈服而有所下降。