緊螺栓連接的有限元模擬仿真研究

王建國（濟南鑫光試驗機制造有限公司,濟南　250214）

緊螺栓連接的有限元模擬仿真研究

王建國
（濟南鑫光試驗機制造有限公司,濟南250214）

為簡化傳統(tǒng)力學(xué)對螺栓進行強度校核的計算過程，提高計算結(jié)果的直觀性，采用了一種螺栓的有限元ANSYS的簡化模擬分析，為了驗證有限元簡化模擬分析的準(zhǔn)確性，利用傳統(tǒng)力學(xué)的解析法對螺栓的強度進行校核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此螺栓的有限元簡化模型的模擬仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果保持一致，說明對于螺栓強度的校核，此簡化方法是有效的，對于工程應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

螺栓強度校核；傳統(tǒng)力學(xué)；ANSYS；螺栓模型簡化；有限元仿真

0　引言

螺栓連接具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整簡便，可反復(fù)拆卸等優(yōu)點，是目前最為常用的工程結(jié)構(gòu)的連接方式。但是在復(fù)雜的工程應(yīng)用過程中，由于交變載荷的作用，在振動、沖擊等干擾因素作用下，往往對螺栓產(chǎn)生嚴重的破壞，螺栓的強度將直接關(guān)系到設(shè)備的正常使用及使用的安全性[1]。與運用經(jīng)典的理論力學(xué)相關(guān)知識對螺栓的強度進行校核相比，主要借助于理論分析，通過經(jīng)驗公式等進行校核計算，在計算過程中，對螺栓的整體受力情況及受力位置等考慮并不全面，此外，并不能完全的顯示各個位置的受力狀況，不能很好地用于指導(dǎo)實踐。通過有限元分析軟件，可以輕松的分析整個螺栓的受力狀況，計算結(jié)果更加直觀地展現(xiàn)，而且計算工作量大大降低，因此，有限元軟件越來越多的被應(yīng)用到螺栓的校核中[2-4]。

1　螺栓連接的失效機理分析

螺栓連接所受的載荷包括軸向載荷、橫向載荷、彎矩和轉(zhuǎn)矩等，其受載形式主要為軸向力與橫向力。在軸向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范圍，螺栓桿將會產(chǎn)生塑性變形甚至將斷裂；在橫向力的作用下，當(dāng)采用鉸制孔用螺栓時，螺栓桿和孔壁的貼合面上可能發(fā)生壓潰或者螺栓桿被剪斷等。

本研究主要對螺栓的強度進行分析，對于受拉力載荷的連接螺栓來說，發(fā)生破壞的位置主要在于螺紋的小徑位置，對于這種螺紋連接，其主要的設(shè)計準(zhǔn)則為保證螺栓具有足夠的靜力強度。螺栓連接中，最為常見的受理方式為預(yù)緊力與工作拉力同時存在的情況，螺栓在軸向拉力作用下，螺栓跟連接件都會產(chǎn)生彈性變形，因此，螺栓所受到的總拉力并不是預(yù)緊力跟工作拉力之和。根據(jù)力學(xué)知識，螺栓的總拉力跟預(yù)緊力跟工作拉力有關(guān)以外，還會受螺栓以及連接件的剛度等因素相關(guān)[5-6]。

2　承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓的理論強度校核

承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓，螺栓所受到的總拉力并不是預(yù)緊力跟工作拉力之和，而等于殘余預(yù)緊力和工作拉力之和。而殘余預(yù)緊力與預(yù)緊力又存在如下關(guān)系：

式中：

物理模型描述：采用性能等級4.6級的M6普通螺栓，采用金屬墊片對兩連接件進行連接，假定預(yù)緊力F0=5000N，所受的工作拉力F=1000N，試校核螺栓的強度。

在上述物理模型的描述中可得，螺栓的相對剛度可取0.2～0.3，此處取0.25，將相關(guān)數(shù)據(jù)，帶入式3可得螺栓所受的總拉力為F2=5250N，鑒于螺栓在軸向力作用下需要進行擰緊補充，同時考慮到轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，故需要將軸向總力提高30%，因此，螺栓的危險截面的拉伸強度為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式3可得，σca=239Mpa＜[σ]=240Mpa，可得螺栓強度滿足使用要求。

3　承受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓的有限元分析

根據(jù)上述的物理模型，進行有限元建模，建立有限元螺栓模型并對其進行網(wǎng)格劃分。

在有限元進行分析的過程中，采用螺栓的實體連接存在計算量大、計算不收斂等問題，對螺栓連接進行簡化，由于結(jié)構(gòu)形狀和載荷存在對稱性，為降低計算量，使計算結(jié)果顯示更加直觀，建立1/4模型。采用預(yù)緊單元PRETS179，并創(chuàng)建預(yù)緊截面命令PSMESH，施加預(yù)緊力載荷進行有限元分析。

在預(yù)緊截面上施加預(yù)緊力F0=5000N以及工作拉力F=1000N，然后進行求解。進行受力分析后，得螺栓的應(yīng)力云圖如下圖所示。

從上圖螺栓的受力分析可以看出，螺栓的最大應(yīng)力發(fā)生的位置在螺栓連接位置處，螺栓的危險截面的最大應(yīng)為236Mpa，跟前文的理論分析結(jié)果239MPa相吻合，說明此螺栓連接的有限元簡化模型合理。采用有限元分析的方法，可以大大降低螺栓強度校核計算量，而且可以更加直觀地顯示危險位置所在的位置，為下一步的理論分析及解決方案的確立提供參考。

4　結(jié)論

由上分析可知，對螺栓進行強度校核時，可以采用有限元的預(yù)緊單元PRETS179進行仿真模擬。跟傳統(tǒng)的理論公式的推導(dǎo)相比，細節(jié)處的節(jié)點載荷有差異，但不影響整體結(jié)果的正確性，而且計算結(jié)果更加直觀，為綜合分析提供更加準(zhǔn)確而全面地分析。對于機載設(shè)備裝配體中螺栓連接，此方法更具有實用的工程價值，對于螺栓的布置方式、螺栓的選型設(shè)計，也具有一定的參考意義。

[1]江國棟,陳彤.25Cr2Mo1V鋼裂紋擴展機理的研究[J].煤礦機械,2004.

[2]盧洪.高強度螺栓斷裂失效分析[J].福建工程學(xué)院學(xué)報,2009.

[3]吳正佳,周進,任芬芬,張成.杜義賢基于Pro/E Mechanica的帶螺栓多約束組件結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械,2010.

[4]楊敏.螺栓連接結(jié)構(gòu)的一種簡化數(shù)值模擬方法[J].機械設(shè)計與制造,2012.

[5]高旭,曾國英.螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元建模及動力學(xué)分析[J].潤滑與密封,2010,35(04):68-71.

[6]DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程2012版[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012.