冷 駿

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

螺栓預(yù)緊力的加載方法研究

冷 駿

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確加載對于螺栓應(yīng)力分析以及螺栓聯(lián)接組件的受力特性分析起著至關(guān)重要的作用。本文以某型調(diào)距槳葉根螺栓為分析模型，在有限元分析軟件中建立計(jì)算模型，采用仿真分析的方法對螺栓預(yù)緊力的加載方法進(jìn)行研究，建模分析計(jì)算表明，兩種計(jì)算方法均能有效地模擬螺栓的預(yù)緊效果。

螺栓預(yù)緊力；加載方法；有限元分析

0 引言

螺栓連接是機(jī)械設(shè)備中廣泛使用的緊固件之一，方便拆卸、連接緊固，多用于受力復(fù)雜部位及重要的接頭處，其使用環(huán)境和受力特性表明螺栓往往是此類連接中的薄弱環(huán)節(jié)。

為了增強(qiáng)連接的剛性、緊密性、防松能力與疲勞壽命，多數(shù)螺栓連接在裝配時須對螺栓施加穩(wěn)定而可靠的預(yù)緊力。所施加的預(yù)緊力既要保證螺栓連接的質(zhì)量要求，又要滿足螺栓的強(qiáng)度要求。預(yù)緊力過大往往會導(dǎo)致聯(lián)接失效，特別是在密封連接的情況下，預(yù)緊力過大，密封墊片會被壓死而失去彈性，甚至?xí)霈F(xiàn)螺栓強(qiáng)度不足而斷裂；過小的預(yù)緊力又使受壓后的被連接件表面的殘余壓緊力達(dá)不到工作密封比壓，從而導(dǎo)致密封不嚴(yán)，而且受工作載荷后螺栓連接容易因應(yīng)力幅過大而發(fā)生疲勞破壞。一般規(guī)定預(yù)緊后的螺栓聯(lián)接組件中螺栓軸向截面應(yīng)力不得大于其材料屈服極限σs的80%。對于一般聯(lián)接用鋼制螺栓，推薦用預(yù)緊力限值為：碳素鋼螺栓，F(xiàn)0=(0.6～0.7)σs·As；合金鋼螺栓，F(xiàn)0=(0.5～0.6)σs·As，σs為螺栓材料的屈服極限，As為螺栓螺桿小徑截面積。

在連接結(jié)構(gòu)有限元分析中，螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確加載對于螺栓應(yīng)力分析以及螺栓聯(lián)接組件的受力特性分析起著至關(guān)重要的作用。本文以某型葉根螺栓為分析模型，在有限元軟件中建立計(jì)算模型，采用仿真分析的方法對螺栓預(yù)緊力的加載方法進(jìn)行研究，并比較不同加載方法計(jì)算結(jié)果的差異。

1 預(yù)緊力加載方法研究

1.1 預(yù)緊力換算

調(diào)距槳葉根連接組件由葉根法蘭、曲柄盤、葉根螺栓組成，葉根法蘭和曲柄盤通過葉根螺栓連接在一起。為防止承受工作載荷作用后葉根法蘭與曲柄盤之間產(chǎn)生縫隙或相對滑移，葉根螺栓在裝配時須承受足夠的預(yù)緊力以滿足聯(lián)接的可靠性與緊密性。

工程中常用的螺栓預(yù)緊方式有測量螺栓伸長量法、測定螺母旋轉(zhuǎn)角法、以及控制螺栓的擰緊力矩法等，調(diào)距槳葉根螺栓一般通過控制螺栓的擰緊力矩來控制預(yù)緊力，采用扭矩扳手?jǐn)Q緊螺帽達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩即表明螺栓預(yù)緊力達(dá)到額定值。而在強(qiáng)度校核或其他方面的計(jì)算中，須將擰緊力矩?fù)Q算成螺栓所受的軸向力。

圖1 葉根螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力的換算關(guān)系圖

螺栓擰緊時，擰緊力矩等于螺紋副的螺紋阻力矩及螺母與被聯(lián)接件支承面間的端面摩擦力矩之和（圖 1）。擰緊力矩與螺栓預(yù)緊力間的關(guān)系為：

式中，T為螺帽所受擰緊力矩，P為螺栓預(yù)緊力，dcp為螺栓螺紋中徑，α為螺紋升角，ρ為螺紋副當(dāng)量摩擦角，，f為螺紋副平面當(dāng)量摩擦系數(shù)，β為螺紋牙型角（對于標(biāo)準(zhǔn)螺紋，β=60°），μ為螺栓帽與法蘭螺孔支承面間的當(dāng)量摩擦系數(shù)，d2、d1分別為螺栓螺帽與葉根法蘭接觸面環(huán)形區(qū)域的外徑、法蘭螺栓孔直徑。

在某型調(diào)距槳葉根螺栓設(shè)計(jì)中，螺紋副當(dāng)量摩擦系數(shù)f、螺帽與法蘭螺孔支承面間的當(dāng)量摩擦系數(shù)μ均取0.11，通過上述公式換算得出螺栓預(yù)緊力為P= 689kN，螺栓螺桿直徑為D=48mm，截面平均軸向應(yīng)力為。

1.2 預(yù)緊力加載方法

在有限元軟件MSC.Marc中模擬螺栓預(yù)緊力，主要可以通過截面法、滲透接觸法、等效力法來實(shí)現(xiàn)。其中，等效力法將螺桿所承受的軸向拉力等效為多個集中力或者一個面壓力，然后對預(yù)緊螺栓作用的聯(lián)接結(jié)構(gòu)直接施加等效荷載，這種方法不建立預(yù)緊螺栓的有限元模型，不能直觀地反映螺栓及其連接件的受力特性。因此，本文擬采用截面法、滲透接觸法兩種方法模擬螺栓預(yù)緊力。

1.2.1 截面法

通過螺桿某處橫截面將螺桿截?cái)?，分別定義為截面A、B（圖2）。在截面外創(chuàng)建一控制點(diǎn)（control node），并與截面A、B建立overclosure tying連接用以控制截面A、B的相對位移，在控制點(diǎn)上以邊界條件的方式施加預(yù)緊力P，實(shí)現(xiàn)對螺栓預(yù)緊作用的模擬。

圖2 截面法施加預(yù)緊力示意圖

1.2.2 滲透接觸法

在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中預(yù)應(yīng)力的施加有“先張法”、“后張法”等，滲透接觸法即采用與“先張法”類似的處理方法。

建立計(jì)算模型時，將有限元模型中螺桿某截面上部結(jié)點(diǎn)整體下移一定距離，亦即縮短螺桿長度。然后再將一定的位移載荷（此位移載荷應(yīng)大于計(jì)算模型中螺栓結(jié)點(diǎn)下移距離）以邊界條件的方式施加于這些結(jié)點(diǎn)上，使得螺栓螺帽下端面高于法蘭螺孔上端面，此時螺桿被拉長。釋放結(jié)點(diǎn)位移載荷后，經(jīng)拉伸變形的螺桿有回彈的趨勢，此時定義螺栓螺帽下沿與法蘭螺孔上沿之間的接觸關(guān)系，當(dāng)兩者等高時發(fā)生接觸變形。由于法蘭具有一定的剛度，螺桿拉伸變形不能完全恢復(fù)，螺桿截面存在拉緊應(yīng)力，也就是預(yù)緊力效果。整個過程如圖3所示。

圖3 滲透接觸法施加預(yù)應(yīng)力示意圖

2 有限元分析

2.1 建模

以某型調(diào)距槳葉根螺栓為研究對象，選取單個葉根螺栓連接組件進(jìn)行仿真建模，將幾何模型導(dǎo)入Hypermesh，劃分為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，生成用于MSC.Marc靜力學(xué)接觸分析所需的有限元模型，如圖4所示。

圖4 有限元分析模型

曲柄盤與法蘭劃分為六面體網(wǎng)格，單元數(shù)分別為3320和2180，結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4288和3336，如圖5所示。

圖5 曲柄盤和法蘭網(wǎng)格圖

葉根螺栓劃分為六面體網(wǎng)格，單元數(shù)為 216432，結(jié)點(diǎn)數(shù)為 227920，倒角處由于存在應(yīng)力集中，需對其網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖6所示。

2.2 材料參數(shù)

在計(jì)算模型中定義葉根法蘭為銅制材料，曲柄盤、葉根螺栓為鋼制材料，模型材料參數(shù)詳見表1。

圖6 葉根螺栓網(wǎng)格圖（右圖為局部放大視圖）

表1 有限元分析模型材料參數(shù)

2.3 接觸關(guān)系

在計(jì)算模型中，曲柄盤上表面與葉根法蘭下表面，葉根螺栓螺帽和法蘭上表面之間存在接觸，在Marc中采用接觸迭代算法，接觸面間的摩擦方式設(shè)定為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)均設(shè)定為0.11。

在有限元分析中，對螺栓連接的處理方式為忽略螺紋嚙合，直接將螺栓與連接件綁定在一起。在本次有限元仿真分析中，葉根螺栓的處理方式可借鑒這種方法，將葉根螺栓與曲柄盤綁定成一體。

2.4 加載與結(jié)果分析

將曲柄盤與葉根法蘭的兩端面采用固定約束，并對螺栓采用上述兩種方法施加預(yù)緊力，提取螺桿截面軸向應(yīng)力并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較。

由圖7可見，兩種預(yù)緊力算法得到的螺栓截面軸向應(yīng)力云圖基本一致，分布狀態(tài)相差不大。提取此界面各節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)力值并作平均處理，可得截面軸向平均應(yīng)力，如表2如示。

通過兩種計(jì)算方法所得螺栓截面軸向應(yīng)力云圖以及螺栓截面軸向平均應(yīng)力的比較可知，采用兩種計(jì)算方法均能有效地模擬螺栓的預(yù)緊效果。

圖7 兩種算法的葉根螺栓截面軸向應(yīng)力云圖

表2 兩種算法下螺栓截面軸向平均應(yīng)力

3 結(jié)論

截面法中將預(yù)緊力以集中載荷的形式施加于螺栓截面控制點(diǎn)上，理論上是合理的而且是理想的，因此所得螺栓截面軸向平均應(yīng)力與理論計(jì)算值相差不大；滲透接觸法通過比較螺栓螺桿截面平均軸向應(yīng)力與理論值的差異調(diào)整螺桿長度的縮減量，通過試算可與理論計(jì)算值無限接近，但在考慮到計(jì)算時間、資源等成本的情況下，僅對其進(jìn)行了若干次試算，便得到理想的結(jié)果。因此，在對螺栓組件進(jìn)行有限元仿真分析中，采用截面法和滲透接觸法均能真實(shí)有效地模擬螺栓的預(yù)緊效果。

[1]李會勛, 胡迎春, 張建中.利用 ANSYS模擬螺栓預(yù)緊力的研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2006(10): 65-68.

[2]吳庭翱.基于經(jīng)典計(jì)算和有限元方法的液壓聯(lián)軸器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備, 2011(12): 28-30.

[3]趙云飛, 徐定耿, 賀寅彪.基于初應(yīng)變理論的螺栓預(yù)緊力加載方法在應(yīng)用[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2008(2):71-74.

針對漂浮型海上機(jī)組結(jié)構(gòu)維護(hù)的決策支持系統(tǒng)即將完成

據(jù)必維國際檢驗(yàn)集團(tuán)船級社透露，一項(xiàng)創(chuàng)新的海上項(xiàng)目決策支持系統(tǒng)即將開發(fā)完成，此系統(tǒng)是專門針對海上漂浮型機(jī)組的結(jié)構(gòu)維護(hù)設(shè)計(jì)的。此項(xiàng)創(chuàng)新可為所有形式的海上可再生能源電站實(shí)現(xiàn)成本及能耗的顯著節(jié)省。

此系統(tǒng)是在Eurogia+項(xiàng)目的框架下開發(fā)的，Eurogia+項(xiàng)目是歐洲聚落計(jì)劃Eureka Cluster專門針對低碳能源的子項(xiàng)目。項(xiàng)目參與方包括：必維國際檢驗(yàn)集團(tuán)，Materiaal Metingen Europe，Liège大學(xué)，DN&T，以及Ifremer。各參與方已經(jīng)合作開發(fā)完成了海上漂浮型機(jī)組結(jié)構(gòu)維護(hù)的原型軟件，預(yù)計(jì)幾個月內(nèi)項(xiàng)目將全部完成。

必維國際檢驗(yàn)集團(tuán)船舶服務(wù)項(xiàng)目部經(jīng)理Philippe Renard指出：“由于海上漂浮型機(jī)組持續(xù)經(jīng)受風(fēng)和海浪的作用，因此進(jìn)入機(jī)組比較困難。因此，海上漂浮型風(fēng)電場的盈利能力主要取決于合理的項(xiàng)目初始設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目運(yùn)營階段優(yōu)化的檢驗(yàn)、維護(hù)、維修方案（IMR）?！?/p>

必維國際檢驗(yàn)集團(tuán)全壽命周期&資產(chǎn)完整性管理系統(tǒng)項(xiàng)目整合多領(lǐng)域方案，包括：檢驗(yàn)現(xiàn)場模擬，基于風(fēng)險(xiǎn)控制的檢驗(yàn)，概率計(jì)算，針對機(jī)組動態(tài)分析和應(yīng)力分析的流體動力學(xué)時域計(jì)算。各單元結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)及疲勞分析，為各機(jī)組制定3D幾何模型，并參考海上OpenHCM標(biāo)準(zhǔn)。

Philippe Renard解釋說：“設(shè)計(jì)師在早期設(shè)計(jì)階段就將IMR系統(tǒng)引入交互設(shè)計(jì)中，從而優(yōu)化全生命周期成本，并用于計(jì)算預(yù)期收益。設(shè)計(jì)的下一個階段中，測量的環(huán)境數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)、維修結(jié)果將再次引入到系統(tǒng)中，并由此確定最終的IMR方案。最終結(jié)果是通過這種低碳技術(shù)降低電力輸送的度電成本。這個項(xiàng)目是針對漂浮型海上機(jī)組開發(fā)，不過它也可直接應(yīng)用于固定式的海上機(jī)組及廣泛用于任何類型的海上可再生能源電站。”

振華重工獲巴西128艘駁船船體建造合同

2月18日晚間振華重工發(fā)布公告稱，公司近日與巴西HDB（Hidrovias Do Brasil）公司旗下Girocantex Sociedad Anonima公司簽署總計(jì)128艘鐵礦石駁船的建造合同，合同總價(jià)約為1.14億美元，折合人民幣約7.11億元。預(yù)計(jì)將于2013年至2014年間分批交貨。此次訂單是振華重工截止目前為止簽訂的最大規(guī)模的船體制造合同。根據(jù)合同要求，振華重工將提供包括鐵礦石駁船的設(shè)計(jì)、建造，以及完成運(yùn)輸卸船交貨的服務(wù)。該批駁船主要用于HDB與巴西淡水河谷簽訂的25年運(yùn)輸業(yè)務(wù)。

The Loading Approaches of Bolt Pre-tightening Force

LENG Jun
(Navy Representative Office of NO.704 research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

The precise loading approaches of the bolt pre-tightening are of great importance to the stress analysis of the bolt and the suffered-force analysis characteristic of the blot join discreteness.The leaf root bolt of the controllable pitch propeller oar is taken as example.The calculating model is constructed by finite element software; the simulating analysis is applied in the loading approach of the bolt pre-tightening force, the result shows that both of the two approaches could simulate the bolt pre-tightening effectively.

bolt pre-tightening force; loading approach; finite element analysis

TH16

A

冷駿（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶輪機(jī)工程。