螺栓連接設(shè)計(jì)分析流程

摘 要： 螺栓連接是機(jī)械設(shè)備中最常見(jiàn)的一種連接形式，其廣泛應(yīng)用于航空、鋼結(jié)構(gòu)、汽車和冶金設(shè)備等機(jī)械制造行業(yè)中。螺栓能夠?qū)蓚€(gè)連接件通過(guò)連接的方式連接起來(lái)而形成—個(gè)整體。因此對(duì)螺栓在工作載荷作用下的受力情況進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)提高螺栓安全性、可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命的目的，能夠更好地發(fā)揮螺栓連接在機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用。本文針對(duì)螺栓疲勞斷裂問(wèn)題進(jìn)行剖析并提供了運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)螺栓進(jìn)行有限元分析的通用流程供設(shè)計(jì)人員參考，為今后設(shè)計(jì)出高疲勞強(qiáng)度和高使用壽命的螺栓提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： ANSYS；螺栓螺紋；疲勞斷裂

引言

螺栓作為在機(jī)械設(shè)備制造中有著成本低、批量大、互換性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，它即易于拆裝，又調(diào)整方便，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性和可靠性相對(duì)較高，是機(jī)械設(shè)備制造中最常見(jiàn)的、最不可或缺的連接件之一。基于以上優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致螺栓的應(yīng)用十分普遍。盡管如此，在當(dāng)下幾近成熟的機(jī)械生產(chǎn)制造行業(yè)中也仍然會(huì)出現(xiàn)螺栓斷裂、磨損等現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)安全事故造成非常嚴(yán)重的損失。

科學(xué)家威爾姆在1980年通過(guò)對(duì)近200例螺栓失敗的原因進(jìn)行研究，結(jié)果是疲勞破壞占比50%以上，因此螺栓的主要失效形式之一就是疲勞失效[1]。隨著近些年各類機(jī)械設(shè)備的技術(shù)含量不斷提高，螺栓的工作條件也隨之不斷提高，因此這就要求螺栓能夠滿足更高的抗疲勞性能。常見(jiàn)的普通螺紋因?yàn)槁菁y處承受高強(qiáng)度的軸向拉應(yīng)力，而螺紋根部承載面積小，從而造成了螺紋根部應(yīng)力集中系數(shù)較大，在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)載荷作用下工作的螺栓螺紋根部處經(jīng)常發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至斷裂的可能，嚴(yán)重的影響螺栓的強(qiáng)度，這對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備運(yùn)行安全產(chǎn)生了重大的影響。謝里陽(yáng)等人[2]利用組合結(jié)構(gòu)法和有限元法分析了標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接的受力情況，得出螺檢連接中各螺紋牙的受力是不均勻的。前三號(hào)螺牙所承受的載荷占總載荷的。螺紋牙受力的不均勻性是影響疲勞壽命的一個(gè)重要方面，特別是第一號(hào)螺紋牙螺紋根部的應(yīng)力集中是最嚴(yán)重的。基于上述原因，如何緩解螺紋根部應(yīng)力集中程度，提高螺栓強(qiáng)度，成為了機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課。

1.螺栓連接的主要參數(shù)：

螺栓的頭部一般為六角形，而底端有螺紋。螺栓連接的方式是將螺栓套上墊圈，再將一端穿過(guò)被連接件上的孔，然后把擰緊螺母，最終將被連接件聯(lián)接起來(lái)。這種連接方式不需要加工螺紋孔，簡(jiǎn)單便捷，在各種重要設(shè)備的緊固連接中獲得廣泛的應(yīng)用，對(duì)工程構(gòu)件的可靠性和安全性有著巨大的影響。

在通過(guò)螺栓上螺紋的軸線斷面上，螺紋的輪廓形狀稱為螺紋的牙型，包括三角形、鋸齒形、方型和梯形等。不同的螺紋牙型有不同的用途。并由不同的代號(hào)表示。一般連接用的螺紋為普通三角牙型螺紋，如圖1所示。牙型為三角形，牙型角60°。普通螺紋分為粗牙和細(xì)牙兩種[3]。一般連接都用粗牙螺紋；當(dāng)螺紋的大徑相同時(shí)，細(xì)牙螺紋的螺距和牙型高度比粗牙小，因此細(xì)牙螺紋適用于薄壁零件的連接。

圖1中的d稱為螺紋的外徑，也就是公稱直徑；d1稱為螺紋的內(nèi)徑，常用于螺紋的強(qiáng)度計(jì)算；d2稱為螺紋的中徑，常用于螺紋的幾何計(jì)算；p稱為螺紋的螺距；n表示螺紋的螺旋線數(shù)目；S稱為螺紋的導(dǎo)程，是沿螺紋上同一條螺旋線旋轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離；ψ稱為螺紋升角，其中tanψ=np/πd2；角α稱為牙型角，是螺紋牙型在軸向截面內(nèi)兩側(cè)邊的夾角；角β稱為牙側(cè)角，是螺紋在軸向截面內(nèi)的牙型側(cè)邊與螺紋軸線垂線之間的夾角。

2.有限元分析流程

對(duì)螺栓軸向受力進(jìn)行有限元分析的流程主要包括以下幾點(diǎn) ：1、運(yùn)用ANSYS軟件定義單元類型對(duì)螺栓進(jìn)行建模，建立有限元模型包括定義單元類型、定義材料物性以及定義實(shí)常數(shù)、創(chuàng)建幾何模型等，而幾何模型是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)，越接近實(shí)體模型分析出的結(jié)果越接近真實(shí)情況。利用ANSYS軟件中的經(jīng)典APDL界面參數(shù)化幾何建模功能和菜單操作界面的幾何建模功能可以進(jìn)行有限元模型的建立。創(chuàng)建的幾何模型主要模擬為以下幾種：①梁?jiǎn)卧虎跅U單元；③具有標(biāo)準(zhǔn)牙型的環(huán)狀凸緣；④實(shí)際尺寸模型。在創(chuàng)建模型時(shí)要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和修改來(lái)控制模型的規(guī)模，并能夠真實(shí)準(zhǔn)確的反映出螺栓的特征，忽略錐度等小特征并進(jìn)行平面化處理和直線化處理。由于創(chuàng)建的幾何模型是軸對(duì)稱模型，因此可以將單元選項(xiàng)設(shè)定為軸對(duì)稱模型，并采用面-面接觸的方式模擬螺栓與螺母之間力的相互作用。對(duì)螺栓和螺母的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行定義，設(shè)置螺栓和螺母的模量和泊松比。定義材料物性和實(shí)常數(shù)后采用軸對(duì)稱模型對(duì)螺栓進(jìn)行模擬，并對(duì)螺栓的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以便對(duì)螺栓進(jìn)行進(jìn)一步的分析；2、由于研宄的部位是螺紋根部的應(yīng)力受力情況，因此我們對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，并根據(jù)分析需求采用不同的網(wǎng)格劃分方式，對(duì)螺栓進(jìn)行網(wǎng)格的定義與劃分，模擬螺紋根部應(yīng)力集中的情況并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢查，如果出現(xiàn)畸形網(wǎng)格需要對(duì)螺紋部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化并重新對(duì)螺栓進(jìn)行網(wǎng)格的定義與劃分，直到?jīng)]有畸形網(wǎng)格出現(xiàn)；3、螺栓承受的載荷在實(shí)際工作中一般是軸向的拉伸載荷，為對(duì)稱分布，根據(jù)螺栓的實(shí)際受力情況和動(dòng)力學(xué)分析，因此需要對(duì)幾何模型進(jìn)行約束，在完成約束操作后方可進(jìn)行分析求解；4、對(duì)計(jì)算設(shè)置初始條件，輸入螺紋的公稱直徑，螺距和螺紋根部弧半徑。根據(jù)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表統(tǒng)計(jì)處理并進(jìn)行分析，就可以得出不同螺紋根部的各種指標(biāo)對(duì)螺栓螺紋根部應(yīng)力的分布情況，以便對(duì)螺栓螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)論

螺栓螺紋牙受力的不均勻性是影響疲勞壽命的一個(gè)重要因素，本文結(jié)合ANSYS軟件，為螺栓螺紋軸向受力的有限元分析提供了通用計(jì)算流程，為設(shè)計(jì)人員今后設(shè)計(jì)出高疲勞強(qiáng)度和高壽命的螺栓提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘友坤.基于ANSYS軟件的螺栓螺紋軸向受力有限元分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2017，48（22）：4-6.

[2]謝里陽(yáng)，徐灝.螺栓受力分析的組合結(jié)構(gòu)法及其疲勞壽命估算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，1986（04）：15-20+28.

[3]林曉龍. 高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度優(yōu)化[D].東北大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：王少華（1970-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，工程師，主要從事隔膜泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)工作，中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司技術(shù)管理辦公室。