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        基于ANSYS模擬扳手法的高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊分析研究

        2018-02-26 07:34:36伍賢洪
        裝備制造技術(shù) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:理論模型

        伍賢洪

        (南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西南寧530008)

        0 引言

        螺栓聯(lián)接因其操作簡單、方便、易用、在許多工程領(lǐng)域被廣泛使用[1]。其中高強(qiáng)度螺栓因其區(qū)別于一般螺栓的特性,被使用在許多重要場合關(guān)鍵部位的連接。高強(qiáng)度螺栓按力的傳遞方式可分為摩擦型和承壓型,其中摩擦型高強(qiáng)度螺紋聯(lián)接在安裝過程中都必須施加強(qiáng)大的預(yù)緊力,常用的螺栓預(yù)緊方式有扭矩法和延伸法,其中扭矩法通常采用力矩扳手將螺帽擰緊來獲得預(yù)緊力,因此操作方便,是工程實(shí)際當(dāng)中預(yù)緊螺栓最常用的方法[2]。

        國內(nèi)外許多學(xué)者已針對扭矩法螺栓預(yù)緊展開了大量理論研究,而理論公式的推導(dǎo)都對實(shí)際的工況做了大量假設(shè),許多參數(shù)都是在區(qū)間變動(dòng)的,因此其結(jié)果必然存在較大的誤差。研究結(jié)果表明,其中扭矩系數(shù)是控制預(yù)緊力的唯一辦法,但同時(shí)其影響因素也較多,成為研究的主要對象。

        采用有限元法對高強(qiáng)度預(yù)緊力分析是常用的方式之一,其中預(yù)緊力單元法是較為成熟的有限元方法,但預(yù)緊力的施加通常是直接施加靜態(tài)預(yù)緊力在螺栓單元上來進(jìn)行處理,理論上雖然能計(jì)算出較為精確的預(yù)緊力,但和實(shí)際預(yù)緊力加載情況是有差異的[3-4],如施加的預(yù)緊力是通過擰緊力矩理論計(jì)算得來的[5],而且與理論計(jì)算一樣,將扭矩系數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為0.2,不能對扭矩系數(shù)進(jìn)行研究[6]。

        基于研究現(xiàn)狀,本文將以8.8級常用高強(qiáng)度螺栓為研究對象,采用理論計(jì)算、有限元仿真的預(yù)緊力單元法和模擬扳手法進(jìn)行螺栓預(yù)緊模擬分析,比較預(yù)緊力及扭矩系數(shù)結(jié)果,分析討論模擬扳手法分析高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的可行性。

        1 預(yù)緊力理論計(jì)算

        與普通螺栓相比,高強(qiáng)度螺栓除了材料強(qiáng)度高之外,安裝過程中需施加一定預(yù)拉力以增加摩擦力來傳遞外力。高強(qiáng)度螺栓在使用中的預(yù)緊力Fa是由力矩扳手等工具擰緊螺母時(shí)所施加的擰緊力矩T來得到的。擰緊力T等于克服螺紋副相對旋轉(zhuǎn)的阻力矩T1和螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件(或墊片)支撐面的摩擦阻力矩T2之和,即

        式中:d2為螺紋中徑;ψ為螺紋升角;ρv為螺紋當(dāng)量摩擦角。

        螺母與支撐面之間的摩擦阻力矩T2為:

        式中:fc為螺母與支撐面之間的摩擦系數(shù);rf為在支撐面上的摩擦半徑。

        rf計(jì)算公式為:

        式中:D0為螺母環(huán)形支撐面的外徑;d0為支撐面上螺栓孔直徑。

        將(2)~(4)式代入(1)式有:

        以M10~M64粗牙普通螺紋為例,ψ=1°42′~3°2′;ρv=arctan1.115f( f為摩擦系數(shù),無潤滑時(shí) f=0.1 ~ 0.2,這里取 f=fc=0.15);d0≈ 1.1d(d為螺紋公稱直徑);D0≈ 1.5d;d2≈ 0.9d[7];上述參數(shù)值代入(6)式可將(5)式化簡為:

        根據(jù)GB50205-2001螺栓所需要的預(yù)緊力規(guī)定選擇合適的扭矩。對于M30,T=1 400 N·m,有:

        2 螺栓預(yù)緊力模型建立

        作為應(yīng)用最廣的有限元軟件,ANSYS模擬分析高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力常采用的方法是預(yù)緊力單元法,即在預(yù)緊力單元上直接施加預(yù)緊力來進(jìn)行模擬。結(jié)合理論分析當(dāng)中存在的諸多假設(shè)等情況,本文提出采用模擬扳手法來施加預(yù)緊力,即在螺栓裝配模型上,添加扳手局部結(jié)構(gòu)模型,再施加扭矩載荷來扭動(dòng)扳手最終達(dá)到施加預(yù)緊力的狀況。

        為對預(yù)緊力單元法與模擬扳手法兩種方法進(jìn)行對比分析,分別選取鋼結(jié)構(gòu)中最常見和使用的三種尺寸的螺栓:M30、M24、M20.通過ANSYS軟件建立的M30網(wǎng)格模型如圖1所示,圖1(a)為預(yù)緊力單元法網(wǎng)格模型,由螺栓,墊圈、螺母等組成,圖1(b)為模擬扳手法網(wǎng)格模型,除圖1(a)中的結(jié)構(gòu)內(nèi)容外,在螺母上添加了扳手局部結(jié)構(gòu)模型,以方便施加扭矩。所有螺栓都建立完整的螺紋牙型,不同大小的螺栓模型結(jié)構(gòu)相似。材料特性參數(shù)選用45號鋼。

        圖1 M30網(wǎng)格模型

        所有模型經(jīng)網(wǎng)格劃分后,根據(jù)模型的實(shí)際情況,所有模型實(shí)體部分都采用20節(jié)點(diǎn)Solid95單元,剛性接觸面采用Target170單元,柔性接觸面采用Contact174單元。

        在載荷施加方面,預(yù)緊力單元法的載荷施加是通過PSMESH命令在螺栓正中部界面處單獨(dú)劃分網(wǎng)格,并將其定義為預(yù)拉力單元PRETS179,再通過SLOAD命令在PRETS179單元上施加對應(yīng)型號螺栓理論計(jì)算的預(yù)緊力。

        模擬扳手法施加的彎矩是通過在扳手兩側(cè)截面施加大小相等,方向相反的壓力P,加載模型如圖1b所示。為確保結(jié)果的可比性,施加的彎矩與預(yù)緊力單元法的施加的理論計(jì)算擰緊力矩T一致,壓力P的大小可以通過擰緊力矩T求得:

        其中:A為施加壓力的其中一個(gè)扳手截面的面積;d為施加壓力的兩面之間的平均距離。

        3 分析討論

        3.1 螺栓預(yù)應(yīng)力的分布

        預(yù)緊力單元法計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力分布云圖如圖2所示,螺栓在根部位置出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中,但螺桿部位的應(yīng)力分布是較為均勻的,截取中間部位的局部應(yīng)力結(jié)果(如圖 3所示)可知,M30、M24、M20螺桿中部截面的平均預(yù)應(yīng)力分別為330 MPa、322.5 MPa、318.5 MPa,且其應(yīng)力值的最大和最小值之差在1MPa以內(nèi)。

        圖2 預(yù)緊力單元法M30螺栓的應(yīng)力分布

        圖3 預(yù)緊力單元法螺栓中截面局部預(yù)應(yīng)力分布云圖

        模擬扳手法的計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力分布云圖如圖4所示,螺栓桿部的整體應(yīng)力是均勻的,截取螺桿中間部分應(yīng)力結(jié)果(如圖5所示)可知,螺栓中部截面的應(yīng)力分布是具有一定規(guī)律,應(yīng)力由內(nèi)到外逐漸變大,應(yīng)力最大值與最小值也相差較大,M30、M24、M20螺栓的中部截面的最大應(yīng)力分別為458 MPa、459 MPa、484 MPa.

        圖5 模擬扳手法螺栓中截面局部預(yù)應(yīng)力分布

        模擬扳手法計(jì)算出的螺栓中部預(yù)應(yīng)力分布是有內(nèi)至外隨半徑增大而逐漸增大,其計(jì)算結(jié)果的最大預(yù)應(yīng)力比預(yù)應(yīng)力單元法和理論計(jì)算值都要大,從實(shí)際扳手施加載荷的情況來看,這是符合實(shí)心回轉(zhuǎn)體扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力分布。

        如圖6所示,當(dāng)螺紋模型將牙型結(jié)構(gòu)完整繪制出來后,可利用模擬扳手法計(jì)算出的螺栓最危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力分布值,并可清晰的獲得螺紋牙型上的應(yīng)力值,而理論計(jì)算或預(yù)緊力單元法無法具體計(jì)算出來,這是模擬扳手法更貼切實(shí)際的地方。

        圖6 M30螺紋處的應(yīng)力分布

        3.2 扭矩系數(shù)

        由于預(yù)緊單元法所施加的預(yù)緊力是通過理論計(jì)算得出的,所以其通過ANSYS得出的螺栓中部預(yù)應(yīng)力結(jié)果與理論計(jì)算值基本相同,扭矩系數(shù)為0.2.

        模擬扳手法通過ANSYS計(jì)算出的M30、M24、M20螺栓中部截面的平均應(yīng)力分別為363.2 MPa、367.5 MPa、369.3 MPa,通過公式(7)和(9)可反求螺栓的扭矩系數(shù),計(jì)算可得M30、M24、M20扭矩系數(shù)分別為 0.1818,0.1755,0.1725.

        4 結(jié)論

        通過對高強(qiáng)度螺栓模擬扳手法有限元分析結(jié)果與預(yù)緊力單元法以及理論計(jì)算的結(jié)果比較分析,可以得到如下結(jié)論:

        (1)模擬扳手法通過在螺栓模型上增加扳手的局部結(jié)構(gòu)來施加扭矩,準(zhǔn)確的處理各接觸面的單元形式,能較為真實(shí)的模擬高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力加載方式。

        (2)扭剪型高強(qiáng)度螺栓除受拉伸力之外,還受剪切力。模擬伴手法通過施加扭矩后主要得到剪應(yīng)力,更接近螺栓預(yù)緊最常見的扭矩發(fā)。預(yù)緊單元法及理論計(jì)算得到的主要是拉應(yīng)力,而一般材料允許的剪應(yīng)力會(huì)小于最大拉應(yīng)力,一般在(0.6~0.8)最大拉應(yīng)力,故螺栓允許的最大擰緊力矩應(yīng)小于理論計(jì)算和預(yù)緊單元法。所以模擬扳手法計(jì)算結(jié)果更能確保螺栓的安全應(yīng)用。

        (3)GB/T1231-2006中對鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺栓連接副做了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,扭矩系數(shù)k=0.11~0.15,標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.01;而理論計(jì)算的扭矩系數(shù)在基于一定假設(shè)的基礎(chǔ)上設(shè)定了0.2,這兩者一個(gè)是實(shí)驗(yàn)值,一個(gè)是理論值都存在一定的誤差。通過模擬扳手法求出的扭矩系數(shù)介于兩者之間,因此可說明模擬扳手法求出扭矩系數(shù)的準(zhǔn)確性。

        總之,模擬扳手法在計(jì)算扭矩法高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊時(shí)具有實(shí)際參考意義,相對于理論計(jì)算機(jī)預(yù)緊單元法更接近實(shí)際預(yù)緊力加載情況,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

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