淺析預緊力對螺栓強度的影響

閆琳 任娜 康建偉 李少敏

摘 要：文章建立了螺栓裝配總成的有限元模型，通過有限元分析，淺析預緊力大小對螺栓強度的影響，并與實際失效件進行對比，結果表明螺栓預緊力不足，容易引發斷裂故障。

關鍵詞：預緊力；有限元分析；螺栓強度

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-98-02

Abstract： An finite element analysis is made to show the relationship between pretension and strength of bolt. Research has revealed that pre-tension force directly affects the bolt strength， and bolt will be broken in service with less pretension force.

Keywords： Pretension force； finite element analysis； bolt strength

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-98-02

前言

螺栓連接結構易于組裝和拆卸，因此在機械結構中得到廣泛應用。安裝螺栓時，必須擰緊螺栓接頭，使連接件在螺栓拉伸時被壓縮，作用于螺栓的預加力稱為預緊力[1]。預緊的目的是加強連接的可靠性和緊湊性[2]。在裝配過程中，選取合理的預緊力是保證裝配件長時間穩定工作的必要條件[3]。

空氣懸架系統，減振器通常采用螺栓安裝在氣囊托架上。某載貨車在運行過程中，該處螺栓發生斷裂，造成懸架系統無法正常工作。

本文采用Hypermesh軟件建立相關有限元模型，并模擬實際情況，對模型進行約束及邊界條件加載，通過有限元仿真，分析了預緊力的大小對螺栓強度的影響。

1 預緊力及限位力選取

減振器下安裝點通過螺栓、螺母安裝在氣囊托架上，如圖1所示，根據設計要求，該螺栓的預緊力為54000N。在螺栓的實際安裝及使用過程中，可能存在預緊力不足或衰減的情況，因此本文采用兩種工況，分別對螺栓加載54000N和5400N的預緊力，來進行對比分析。

當懸架系統下跳至減振器限位時，該螺栓受到35000N的剪切力。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

評估螺栓強度，需要考慮螺栓預緊力、螺栓螺母和連接件之間的相對運動，因此螺栓、螺母采用實體單元建立詳細的網格模型，如圖2所示。

2.2 模型材料參數

模型中，螺栓材料為40Cr，材料參數如表1。

2.3 邊界條件

在減振器下安裝點加載向下的沖擊力，在螺栓上加載預緊力，螺栓和墊片、螺母之間建立接觸，約束氣囊托架，如圖3所示。

2.4 分析結果

分別對螺栓加載54000N和5400N的預緊力，并對比螺栓的vonMises應力，分析結果如圖4所示。

螺栓預緊力為54000N時，螺栓的最大應力為367MPa，低于材料的抗拉強度，螺栓滿足強度要求。

螺栓預緊力為5400N時，螺栓的最大應力達到795MPa，應力集中明顯，容易引起疲勞破壞。

因此預緊力不足，會引起安裝件的相對錯位和晃動，進而引起螺栓應力集中，造成螺栓在工作中剪斷，如圖5所示。

由圖5可以看出，有限元分析結果與實際斷裂位置較為吻合，該分析方法可以有效驗證螺栓預緊力對螺栓強度的影響。

3 結論

（1）建立了螺栓裝配總成的有限元模型，通過有限元仿真分析了預緊力大小對螺栓強度的影響，并與實際失效件對比，結果表明有限元分析結果與實際較為吻合，進而驗證了有限元模型及邊界條件的合理性。

（2）當螺栓預緊力不足時，螺栓應力超過材料抗拉強度，發生破壞；因此，在實際工作中，足夠的預緊力時保證螺栓裝配件穩定運行的必要條件。

參考文獻

[1] Yu Q，H Zhou，L Wang.Finite element analysis of relationship between tightenmg torque and initial load of bolted connections[J].Advances in Mechanical Engineering，2015：7（5）.

[2] 王名月.繆炳榮等.某稱重儀傳感器螺栓連接預緊力分析及優化.木.2017（1）：22～26.

[3] 趙峰，羅峰.螺栓預緊力的選用和螺栓規格的規范設計.[J]汽車實用技術.2016（9）：236～250.