緊固螺栓的強度驗證和仿真

李曼，杜振斌，路素銀，任瑞杰

（河北省輸變電裝備電磁與結構性能重點實驗室,河北保定 071056）

0 引言

電力變壓器是電網中很重要的設備，變壓器的安全可靠性對電網起著至關重要的作用。變壓器的正常運行是電力系統安全、可靠和優質運行的重要保證，而螺栓連接是變壓器設備各個零部件之間的一種很普遍的連接方式[1-2]。在給螺栓施加轉矩的時候，轉矩分配到螺栓桿上的載荷，會因螺栓墊片與連接件的摩擦因數、螺紋與連接材料間的摩擦因數的不同而發生變化。本文用實驗的方法測得了實際施加轉矩后螺栓桿上的強度，與用軟件強度仿真的結果進行對比，對比后按照實際測得的數據修改了仿真方法，最終使得仿真結果與實際測量結果相互擬合。

1 實驗模型

一般通過在螺母上施加轉矩達到在螺栓上施加預緊力的目的[3-5]。零部件之間在用螺栓連接的時候，因為零部件的材料不同，導致摩擦力不同，從而使最終作用在螺栓上的預緊力不同。

為了測試擰緊時螺栓螺柱上的受力情況，設計了便于測量螺桿應變的實驗模型，如圖1所示。其中，連接螺栓為8.8級M12的螺栓，其他材料均為Q355鋼。

如圖1所示，螺栓1為施加轉矩的螺栓，連接件3的一端固定，用螺栓1連接所有的連接件和輔助件，實驗中使用輔助連接件4、5是為了增強連接件2、3的強度和剛度。

在螺栓的螺母上施加轉矩時，螺母與墊片之間、墊片與連接件之間都會有摩擦，這些摩擦消耗掉一部分轉矩，最終作用到螺栓桿上的預緊力會因為連接件材料的不同而不同。本實驗是為了測試在使用現有的這種連接方式和材料的情況下最終作用在螺桿上的預緊力。按照圖1所示連接好所有零部件后，在螺桿上裝一個應變片，分別施加力矩值30、50、80、100、150 N·m的力矩值，用某公司的應力測試儀器在不同的力矩值下分別測試螺桿上的應變變化，測試結果如表1所示。

圖1 測試施加預緊轉矩實驗圖

表1 測量數值和理論數值的對比

式中：F0為預緊力，N；T為擰緊力矩，N·m；K為擰緊力矩系數，無量綱；d為螺紋公稱直徑，m；σ為應力，MPa；As為應力截面，m2。

由表1中最后一列的對比值可知，實測應力只占理論應力的36%左右。

2 驗證模型

為了驗證此種材料的螺栓連接時施加在螺栓上的轉矩最終作用到螺栓上的預緊力為理論值的36%左右，用另一個模型對其進行了驗證，如圖2所示。此模型應用某公司的靜態應變測試儀及軟件系統，在螺栓處粘貼應變片。本次實驗共有6個應變片，其中每根螺栓上需要貼2個應變片，分別粘貼于螺桿中段部位軸對稱位置，如圖2所示。

圖2 驗證模型

表2 測點說明

驗證模型種所用材料為Q355鋼，其材料屬性如表3所示，螺栓為8.8級M27的高強度螺栓，施加轉矩的力矩扳手規格為1000～3000 N·m。本次驗證用單軸應變片進行測試，測試得到的是各測點在不同工況下的應變值，再轉換成各測點的應力值。

表3 Q355鋼主要材料屬性

本文中用ANSYS 18.0軟件對實驗模型進行模擬仿真時，施加36%的預緊力，與測試所得的應力結果比較相近，圖3 和圖4 分別 為 施 加2500 N·m 轉矩時的整體應力云圖、零件應力云圖和螺栓應力云圖；表4為施加2500 N·m 預緊力時模擬仿真值和實測值的對比。

圖3 整體應力云圖

圖4 螺栓應力云圖

表4 施加2500 N·m轉矩時仿真模擬和實驗實測應力對比

3 結果分析

在第3部分中的驗證模型上，最終計算的預緊力為36%時的仿真值和測試值的對比表格中，上螺栓螺桿的仿真值和測試值的擬合率為99.2%，從管側看過去左螺栓螺桿的仿真值和測試值的擬合率為96.7%，從管側看過去右螺栓螺桿的仿真值和測試值的擬合率為100%。本次實驗和仿真結果充分驗證了在仿真模擬時預緊力施加36%時，其螺栓仿真模擬的結果和測試結果基本相擬合。在本次仿真和實驗中數據也可能存在一定的誤差，其原因如下：1）在模擬仿真的結果中取值時，關鍵點的取值不精準；2）本身實驗過程中，施加力矩時螺栓是轉動的，致使實驗測得的結果位置不確定。

4 結論

本文首先用實驗模型對施加在螺栓上的轉矩最終作用在螺栓螺桿上的應力進行了測量，然后用測量值與其對應的理論計算值進行對比，得出實測值與理論計算值的百分比；最后用驗證模型對實驗模型得出來的結論進行了驗證，即針對驗證模型對模擬仿真和實驗測量兩種方式中得到螺栓應力進行對比。對比結果顯示，在施加要求的轉矩理論換算的螺栓預緊力為36%時，模擬仿真時螺栓的預緊力數值與實際施加轉矩值測得的數值相當。

在以后的強度分析中，針對現有Q355鋼的產品和使用現有的規格為1000～3000 N·m的力矩扳手施加力矩時，用仿真模擬時可建立螺栓應力截面，施加要求的轉矩理論換算的螺栓預緊力的36%進行強度分析，然后按照螺栓的屈服極限和材料的安全系數1.1進行判定。

使用力矩扳手給連接特定的材料零部件的螺栓施加轉矩時，因摩擦因數和材料的不同，最終作用在螺栓桿上的預緊力是有差距的。如果需要精準的預緊力，除了測試外還可以用測試的方法歸納出模擬仿真的精準計算方法。