有限元仿真研究不同栽樁深度下AG螺紋受力分析

摘 要：為解決螺栓預緊力退化的難題，采用有限元仿真的方法，探究螺紋結合面間的微觀接觸運動，對不同栽樁深度下AG系列螺紋進行受力分析。結果顯示：當栽樁深度為5P、6P、7P、8P時，計算得到的轉矩結果符合使用標準，AG6×1 螺紋副實現過盈螺樁連接功能。根據研究結果，AG6×1栽樁深度建議為6 mm。

關鍵詞：栽樁深度；轉矩；AG螺紋；有限元仿真

中圖分類號：TH16; V262.4文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0119-04

Finite Element Simulation Study on Force Analysis of AG Series Threads under Different Pile Planting Depths

Abstract：In order to solve the problem of bolt preload degradation， finite element simulation is applied to investigate the microscopic contact motion between the thread bonding surfaces， and force analysis of AG series threads at different pile planting depths is conducted. The results show that the calculated torque results meet the use standard when the planting depths are 5P， 6P， 7P and 8P， and the AG6×1 thread vice achieves the function of overload screw pile connection. According to the reserch results， 6 mm of AG6×1 pile planting depths is suggested.

Keywords：planting depth; torque; AG series thread; finite element simulation

0 引言

隨著航空航天工業水平的快速發展，航空部件逐漸趨于復雜化和龐大化［1-2］，例如機身、機翼、航空發動機等，而這些結構中少有獨立生產的整體，往往是由各零件通過連接結構裝配而成，其中螺紋連接結構因其可靠性高、成本低及拆卸方便等優點，成為眾多連接形式中應用最廣泛的一種［3］。對于在高振動、高加速度、高溫環境下工作的航空裝備組件，部分緊固性能未達標的螺栓節點可能產生不可預期的預緊力退化甚至螺栓松脫等故障［4-6］，大幅降低航空機械的安全穩定性，輕則增加維修時間及費用，重則釀成空難事故，嚴重危害人民生命及財產安全［7］。

對于航空螺栓來說，存在的難題主要是：如何對螺栓進行防松和預緊操作，如何充分發揮過盈螺紋在雙頭螺柱上的作用。為此研究過盈螺紋中徑過盈量、螺紋小徑以及栽樁深度這3個因素對裝配轉矩的影響，為螺栓失效問題提供堅實的研究基礎，進而為航空連接件設計提供理論依據，進一步提高航空發動機等航空部件的性能及壽命。近年來，隨著計算機運算速度的驚人提升，科學問題的研究模式逐漸從“經驗指導實驗”轉向“理論計算+仿真模擬指導實驗”［8］。基于這種新模式，本文采用有限元仿真模擬方法探究螺紋結合面間的微觀接觸運動，對不同栽樁深度下AG螺紋進行了受力分析。

1 有限元模型的建立

為了盡量符合實際情況，本文采用Solidworks

軟件精準建立AG6×1過盈螺樁裝配不銹鋼基體三維實體模型圖，導入ABAQUS有限元分析軟件中獲取有限元模型（圖1）。因本文的計算需要更高的精度，此處螺紋配合應用草圖對草圖重合的方式，使螺紋副配合更緊密。即在同一基準面上畫不同深度的螺紋牙草圖，點擊配合—標準配合—選擇草圖兩條邊—點重合，使兩個草圖實現完全重合，從而控制兩個實體模型精確裝配。AG6×1過盈螺樁原材料為雙相不銹鋼Cr17Ni2，鎂合金基體為ZM6。雙相不銹鋼Cr17Ni2密度為7.75 g/cm3，彈性模量為210 GPa，屈服強度為550 MPa，拉伸強度為1 175 MPa。鑄造鎂合金ZM6基體密度為1.8 g/cm3，彈性模量為43 GPa，屈服強度為160 MPa，拉伸強度為250 MPa。

圖2為鑄造鎂合金ZM6基體和AG6×1 螺樁有限元網格圖網格種子布置參數。AG6×1 螺樁和鑄造鎂合金ZM6基體均采用C3D8R單元劃分。AG6×1 螺樁網格設置非均勻生長，參數為1，自由網格，全局尺寸為0.6，曲率控制0.1；局部尺寸為0.2，曲率控制為0.01。鑄造鎂合金ZM6基體部件網格同樣設置非均勻生長，參數為1.2，自由網格，全局尺寸為2，曲率控制為0.1；局部尺寸為0.2，曲率控制為0.01。施加的約束條件為鎂合金基體底面全部約束。安裝轉矩施加在AG6×1螺樁的無螺紋一端曲面上。

2 基于ABAQUS的有限元分析

當螺紋栽樁深度較長時會產生干涉的現象，旋合性不能保證。旋合長度越長，直線度誤差則越大，對旋合性的影響也就越大。與此相反，當螺紋栽樁深度較短時，旋合性雖得以保證，但卻出現嚙合間隙偏大的現象［10-11］。

圖3為不同栽樁深度下AG6×1 螺紋副安裝轉矩和分析步之間關系圖。由圖3可知，對于鑄造鎂合金（ZM6）零件，采用雙相不銹鋼（Cr17Ni2）AG6×1過盈螺紋栽樁。當栽樁深度分別為1P、2P、3P、4P、5P、6P、7P、8P時，通過有限元軟件ABAQUS仿真計算獲得：施加的安裝轉矩分別為0.049 Nm、1.462 Nm、2.259 Nm、2.992 Nm、3.684 Nm、4.391 Nm、5.109 Nm、5.830 Nm。ABAQUS仿真計算結果顯示栽樁深度和施加的安裝轉矩呈現良好的線性關系。 圖4為采用Origin擬合的AG6×1 螺紋副安裝轉矩和栽樁深度之間關系，擬合公式［12］為

Y=-0.302+0.783X（1）

式中：Y為轉矩；X為螺旋圈數。

圖5為不同栽樁深度下，AG6×1 螺紋副橫截面應力分布云圖。由圖5（a）、圖5（b）可知，當栽樁深度為1P、2P時，鑄造鎂合金（ZM6）基體應力遠遠低于屈服強度，而且在AG6×1 螺樁周圍的鑄造鎂合金（ZM6）基體大約有2/3幾乎沒有預緊力，或者預緊力接近0。當栽樁深度為3P、4P時，如圖5（c）、圖5（d）所示，鑄造鎂合金（ZM6）基體應力為193MPa、184MPa，超過鑄造鎂合金（ZM6）基體應力屈服應力，會導致內螺紋磨損等失效現象，且AG6×1 螺樁周圍的鑄造鎂合金（ZM6）基體存在 1/3部分截面幾乎沒有承載預緊力。

由圖5（e）—圖5（g）可知，當栽樁深度為5P、6P、7P時，鑄造鎂合金（ZM6）基體應力分別為167MPa、166MPa、167 MPa，此時AG6×1 螺紋副達到預緊狀態。而當栽樁深度為8P時，如圖5（h）所示，鑄造鎂合金（ZM6）基體應力為176MPa，此時AG6×1 螺紋副達到預緊狀態。所以當栽樁深度為5P、6P、7P、8P時，AG6×1 螺紋副實現過盈螺樁連接功能。

當栽樁深度分別為1P、2P、3P、4P、5P、6P、7P、8P時，AG6×1過盈螺樁大徑和小徑應力分別為0 MPa和0 MPa、1 417 MPa和850 MPa、606 MPa和151 MPa、585 MPa和291 MPa、568 MPa和142 MPa、463 MPa和154 MPa、761 MPa和380 MPa、547 MPa和410 MPa，如圖6所示。如當栽樁深度為1P、2P、3P、4P時，會出現嚴重的螺牙磨損、變形現象［13］，此時AG6×1 過盈螺樁甚至會出現剪切失效現象［14］。

經過多次實驗，對不同栽樁深度下轉矩進行測量，轉矩測試結果與有限元仿真計算結果一致，如表1所示，說明本論文有限元計算結果與實際較吻合。

3 結語

本文采用有限元仿真的方法，通過實際實驗測試研究了螺紋結合面間的微觀接觸運動；對不同栽樁深度下AG系列螺紋進行了受力分析。ABAQUS仿真計算結果顯示：AG6×1 栽樁深度和施加的安裝轉矩范圍呈現良好的線性關系，當栽樁深度為5P、6P、7P、8P時，AG6×1 螺紋副實現過盈螺樁連接功能。在工程實踐中，螺紋旋合長度一般不能少于5倍螺距長度，因此，AG6 ×1栽樁深度建議為6 mm。

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