柔性薄板件裝配變形仿真

聶闖

摘 要：為了研究薄板件在螺栓裝配時的變形情況，通過有限元分析軟件ANSYS對薄板件結構進行建模，考慮結構自重，模擬螺栓擰緊過程，對薄板件造成的變形進行靜力學分析，得到了裝配力引起的薄板件變形及造成的應力分布，根據仿真結果調整機箱裝配方案，提高了機箱結構在實際工程中的精確度與可靠性。

關鍵詞：機箱結構；預緊力；ANSYS仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.196

1 引言

薄板件是現代工業工程中常見的結構，比如大小型機箱、飛機機身以及汽車覆蓋件等，其裝配精度是反應產品或結構質量的重要指標。薄板件有著重量輕、加工量小及易剪裁等優點，但是其橫向抗彎能力差，厚度小，受力時易出現變形等問題也是工程中亟待解決的問題。有研究對鋁合金矩形機箱的組裝進行改進，通過選用表面定位方式，提高其表面及機箱結構的完整性。還有學者分析了薄板件裝配時的誤差來源，并采用狀態空間法建立了多工位誤差傳遞模型，以汽車地板薄板件為例，驗證了該方法的有效性。當薄板件采用螺栓連接時，螺栓預緊力的施加及螺栓的安裝順序都會使得薄板件發生不同的變形。本文通過建立某型號機箱的有限元模型，并模擬螺栓擰緊過程，通過仿真計算得到不同的螺栓安裝方案對薄板件的變形作用，并得出使得薄板件變形最小的螺栓安裝方案。以仿真結果作為實際安裝工程的指導，有效提高薄板件的螺栓裝配精度與可靠性。

2 機箱結構建模

ANSYS軟件是一款綜合性的有限元分析軟件，其細化為非常多的專業模塊。在進行靜力學分析時，ansys建模方便，網格劃分準確，計算結果精確，操作方便。本文通過對機箱結構進行靜力學分析得到因螺栓預緊力造成的機箱薄板件在裝配時的表面變形、應力分布等。本文的機箱結構是由鋁合金組成，厚度為3mm，尺寸為600mm*400mm，連接方式包括焊接、鉚接和螺栓連接，在機箱每個面的邊緣各有4個螺栓。但在建模時為了減少計算量，忽略焊接點、鉚接的集中應力影響。根據實際模型建立仿真模型，單元類型選擇shell，材料選擇鋁合金，密度為2700kg/m3，屈服強度為72000Gpa，泊松比為0.3，劃分網格時采用映射網格劃分法，由于shell單元劃分網格時比較簡單，可直接在ANSYS軟件中meshtool工具欄中設置網格單元大小或單元個數，并且施加全約束。重力通過設置重力加速度來實現，重力加速度在defineloads工具欄中設置。螺栓預緊力的施加方法有直接法、降溫法和滲透法等，本文選用降溫法。降溫法的基本思想是：把初載荷換算成對應的溫度載荷加載的螺栓桿上。假定螺栓最初安裝的聯接件上不產生預緊力，當螺栓上作用有負的溫度載荷（假定初始溫度為0）其他構件溫度不變，這時螺栓必然收縮，螺栓必然受到一個拉力阻止其自由收縮，而被聯接件則受到壓力作用。通過換算使溫度載荷等效于螺栓上施加的初載荷，便可以模擬預緊力。

3 仿真計算

本文研究機箱某一面的薄板，在螺栓采取不同的順序擰緊及不同的螺栓預緊力施加方法時，薄板的變形情況。設置好各種參數后，利用ansys中分析計算模塊，進行分析計算，并在后處理模塊中查看仿真結果。查看結果得到當薄板的螺栓同時擰緊時，薄板的變形位移的均方根值最小，表面最平整；最大應力為293Mpa，，最小應力為46Mpa，均方根值為0.16mm。當螺栓預緊力分為三步加載時，薄板的變形比一次擰緊螺栓時有明顯改善，其均方根值分別為0.158mm和0.254mm。說明薄板件在使用螺栓裝配時，螺栓的裝配方案會影響其表面精度；同時擰緊螺栓及螺栓預緊力分布加載都可以減小薄板的變形。

4 結論

本文通過仿真不同的螺栓分布及螺栓直徑的鋼板連接變形，對比實驗數據發現：

（1）在相同的螺栓預緊力施加方法下，螺栓擰緊順序會影響薄板件變形，同時擰緊螺栓變形最小；

（2）螺栓擰緊順序相同時，預緊力分步加載會減小薄板件變形；

（3）在進行仿真分析時，薄板件板結構只受到螺栓預緊力和重力的影響，未考慮熱變形與振動，有待進一步研究。

參考文獻：

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