李 華，顧 強(qiáng)，劉華峰，李 兵

LI Hua1, GU Qiang1, LIU Hua-feng1, LI Bing2

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.中航惠陽(yáng)航空螺旋槳有限責(zé)任公司，保定 072152）

0 引言

隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，其材料的輕量化要求越來(lái)越高。在航空航天產(chǎn)品[1]以及近幾年國(guó)家大力發(fā)展的高鐵技術(shù)[2]中鋁合金銅合金等輕型材料應(yīng)用越來(lái)越廣，但在材料輕量化的同時(shí)也面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，鋁合金或銅合金等材料其抗剪切能力相對(duì)較差，為考慮其安全性能及拆裝方便又不得不采用螺紋連接。綜合上述問(wèn)題，采用鋼絲螺套連接。所謂鋼絲螺套即用菱形截面的鋼絲繞制成的螺旋體。株洲電力機(jī)車廠梁洪波在鋼絲螺套在電力機(jī)車上的應(yīng)用中提出了三種鋼絲螺套的連接方式，包括：直接在母材上連接鋼絲螺套；對(duì)母材進(jìn)行局部加強(qiáng)，然后再安裝鋼絲螺套；采用螺母座安裝鋼絲螺套。然而，在鋼絲螺套的相關(guān)報(bào)道中大多僅會(huì)闡述鋼絲螺套的應(yīng)用及其安裝[3]王梅芝在衛(wèi)星總裝中鋼絲螺套裝配工藝中介紹了鋼絲螺套的結(jié)構(gòu)及安裝工藝要求。宋志偉[4]在鋼絲螺套內(nèi)螺紋工具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中介紹了鋼絲螺套的加工。本文源自某型產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，由于采用鋁合金材料，并且關(guān)鍵部位螺栓需要承受較大軸向預(yù)緊力，所以采用18扣鋼絲螺套，但目前尚無(wú)相關(guān)詳細(xì)數(shù)據(jù)可以參考。本文利用CATIA對(duì)建立CAD模型，采用Ansys Workbench對(duì)其進(jìn)行非線性仿真，得到其螺紋的受力分配情況，為工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。

1 鋼絲螺套設(shè)計(jì)的三維建模及有限元仿真

螺紋牙軸向力的分配情況和螺紋牙間的變形協(xié)調(diào)情況有關(guān)，提高柔度可以改善螺紋牙的受力分配情況，鋼絲螺套可以提高螺紋間的柔度，改善螺紋牙的受力。螺紋的變形包括螺紋牙自身彎曲、剪切的變形、螺紋牙根傾斜變形、螺紋牙根剪切變形和徑向分力引起的變形。其中以螺紋牙身的剪切、螺紋牙根的剪切和徑向分力引起的變形為主。

因?yàn)樵贏nsys中計(jì)算螺紋的牙受力分配需要提取接觸壓力，積分出接觸力，需要一定的后處理時(shí)間，考慮到軸對(duì)稱模型計(jì)算，只有τzr不為零，并且τzr由軸向力提供，所以在計(jì)算初期在螺紋牙中間布置了一系列密集的節(jié)點(diǎn)，把螺紋牙當(dāng)成懸臂梁，用提取螺紋牙中間切向力比例的方法得出螺紋的受力分配情況，這樣省去了許多后處理的時(shí)間，但是在校對(duì)結(jié)果時(shí)，這種方法得出的受力分配首扣螺紋受力比提取出來(lái)的接觸力少了10%左右，這是軸對(duì)稱模型和懸臂梁假設(shè)之間的差別，最終沒(méi)有采用這種方法。

本文屬于高度非線性的計(jì)算，在保證一定精度的前提下，為了提高效率采用了2D軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)普通螺紋計(jì)算[5,6]的相關(guān)論文，2D軸對(duì)稱模型與3D完整模型的應(yīng)力誤差在2%左右。由于螺紋受力情況受力受螺紋剛度的影響，所以螺距、材料彈性模量，牙型等參數(shù)成為了主要影響因素，下文還提到了邊界條件對(duì)螺紋牙受力的影響，如需得到不同的情況的螺紋受力情況應(yīng)當(dāng)分別計(jì)算。本文僅以GJB119《普通鋼絲螺套》ST24×1.5的鋼絲螺套牙型數(shù)據(jù)，外螺紋為鋁基體為例計(jì)算不同圈數(shù)的鋼絲螺套下螺紋的受力情況。

1.1 建立CAD模型并進(jìn)行仿真

在Workbench DM模塊中導(dǎo)入實(shí)體，并在Mechanical施加1000N的軸向力，計(jì)算在安裝鋼絲螺套下不同扣數(shù)的螺紋受力分配情況。

Workbench以Ansys的計(jì)算內(nèi)核為基礎(chǔ)，集成了更智能化的功能。為了提取接觸力，將Output Controls中的Contact Miscellaneous和Nodal Forces設(shè)置為Yes，每對(duì)螺紋之間單獨(dú)設(shè)置Frictionless接觸條件，便于以后用Force Reaction功能提取接觸力。

圖1 CATIA模型

圖2 整體網(wǎng)格模型

圖3 螺紋處網(wǎng)格

圖4 螺紋的應(yīng)力云圖

圖5 14扣鋼絲螺套不同邊界條件下螺紋的受力情況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)建立的CAD模型，導(dǎo)入到Workbench中，不考慮摩擦力的影響（frictionless），建立軸對(duì)稱邊界條件，施加微小位移建立接觸關(guān)系后加預(yù)緊力矩產(chǎn)生的軸向載荷。為了有助計(jì)算收斂在，減小穿透值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，增加螺紋牙的微小圓角特征，并在螺紋接觸處加密網(wǎng)格。模型用增廣拉格朗日方法表達(dá)接觸關(guān)系，直接法求解即采用稀疏矩陣直接求解器（Sparse Director Solver），分成10個(gè)載荷步進(jìn)行求解。實(shí)體如圖1所示，網(wǎng)格模型如圖2所示，螺紋處的網(wǎng)格如圖3所示。加入鋼絲螺套的螺紋受力分布如圖4所示。同時(shí)本文對(duì)14扣鋼絲螺套不同邊界條件下螺紋的受力情況進(jìn)行了分析，如圖5所示。

1.2 計(jì)算結(jié)果

本文采用擴(kuò)展拉格朗日乘子法，允許的穿透值設(shè)置為1×10-8數(shù)量級(jí)。在計(jì)算過(guò)程中采用了不同的邊界條件，得出的結(jié)果有細(xì)微的差別。1）當(dāng)螺紋旋合長(zhǎng)度等于基體厚度時(shí)，螺紋各圈受力隨著圈數(shù)的增加，逐步下降，如圖6所示。2）當(dāng)螺紋旋合長(zhǎng)度小于基體厚度時(shí)，最后幾扣的螺紋受力略有增加，同時(shí)第一圈的受力比例略有降低，10%左右；3）當(dāng)約束外螺紋邊界的法向位移式，第一圈的受力比例也略有降低，10%左右，如圖7所示。同時(shí)中間各圈螺紋受力有趨于平均的趨勢(shì)；螺紋旋合長(zhǎng)度小于基體厚度的情況符合大多數(shù)的工程情況，所以最后選取了這種情況作為對(duì)比。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出了此例中安裝鋼絲螺套下的螺紋軸向受力情況，后幾圈螺紋受力增加的情況是因?yàn)楦郊訌澗氐拇嬖?，?dǎo)致基體彎曲變形，使后幾圈的螺紋貼合得更緊密。

圖6 安裝不同圈數(shù)鋼絲螺套的螺紋受力情況

圖7 不同圈數(shù)鋼絲螺套的第一扣受力情況

隨著鋼絲螺套圈數(shù)的增加，螺紋牙的最大軸向力的比例也有明顯下降。外螺紋的邊界條件對(duì)受力一定影響，所以在螺紋孔布置較密集處應(yīng)該組合計(jì)算。

2 對(duì)static structural進(jìn)行分析

根據(jù)計(jì)算，加入鋼絲螺套后螺紋的軸向受力分配情況遠(yuǎn)好于普通螺紋連接的受力分布，其中第一扣螺紋承受了近15.6%的總載荷。這是由于鋼絲螺套增加了連接柔度，提高了軸向力的傳遞效率，所以會(huì)改善螺紋牙的軸向受力分配情況，并且由于柔性的增加螺紋的扣數(shù)對(duì)第一扣螺紋的受力會(huì)有一定影響，所以18扣螺紋鋼絲螺套的第一扣受力應(yīng)小于6扣鋼絲螺套的第一扣受力，計(jì)算結(jié)果符合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Ansys Workbench軟件對(duì)直徑為φ24，18扣鋼絲螺套進(jìn)行有限元模擬仿真，獲得了其在加入鋼絲螺套后的螺紋應(yīng)力分布。為鋼絲螺套在工程中的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。加入18扣鋼絲螺的第一扣螺紋牙受力與6扣鋼絲螺套的第一扣螺紋牙受力的相比有15%左右的提高，也可作為一些工程中應(yīng)用其它扣數(shù)的鋼絲螺套的參考。國(guó)內(nèi)關(guān)于螺紋的有限元仿真大多停留在螺紋連接尤其為普通螺紋連接的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析領(lǐng)域[7],而本文對(duì)鋼絲螺套的非線性接觸仿真填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼絲螺套非線性接觸有限元仿真的空白。

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