甄紅亮

東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽 618000

高強(qiáng)度螺栓是風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)中最重要的聯(lián)接方式，其強(qiáng)度直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。螺栓合理預(yù)緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和高疲勞性能。目前在風(fēng)電行業(yè)中使用最廣泛的是扭矩法，扭矩法通常采用力矩扳手將螺帽擰緊,是預(yù)緊螺栓最通用的方法,由于它簡單、方便、易用,使用非常廣泛。但由于摩擦系數(shù)不穩(wěn)定,預(yù)緊力離散性較大,并且使聯(lián)接螺栓受到額外的扭矩和彎矩作用。目前在風(fēng)電機(jī)組中開始使用拉伸法對螺栓進(jìn)行預(yù)緊，拉伸法的優(yōu)點(diǎn)是：在預(yù)緊過程中沒有扭矩產(chǎn)生，不需考慮摩擦的影響，工藝過程容易控制，最終獲得的拉伸力精度較高。

拉伸法先通過外力使螺栓伸長,再擰緊螺母,待去除外力之后,即可使聯(lián)接保證所需的預(yù)緊力。拉伸法根據(jù)螺栓伸長的方式不同又可分為溫度拉伸法和液壓拉伸法兩種。目前最常用是液壓拉伸法。在風(fēng)電領(lǐng)域，風(fēng)電螺栓聯(lián)接大都設(shè)定較高的目標(biāo)夾緊力，其產(chǎn)生的應(yīng)力為螺栓屈服極限的70%-80%，為了獲得目標(biāo)的夾緊力, 在螺栓拉伸過程中普遍存在“超拉”現(xiàn)象。為保證螺栓安全必須對所需要的操作拉力進(jìn)行校核，以指導(dǎo)正確施工。

隨著有CAE技術(shù)的發(fā)展，可以采用CAE軟件對螺栓的預(yù)緊過程進(jìn)行精確模擬計(jì)算。目前溫差法是最常用的方法，但在溫度載荷的施加過程中也存在一些問題，如，在施加溫度載荷時(shí)忽略了部分螺栓變形。結(jié)合風(fēng)電塔架法蘭聯(lián)接的具體實(shí)例，使用有限元（Nastran）軟件進(jìn)行分析，以校核某型螺栓的施工拉力是否合理，并通過對比確定溫度載荷的合理施加方法。

1 真實(shí)拉伸預(yù)緊過程

在整個(gè)預(yù)緊過程中，螺栓與被聯(lián)接件的變形過程如圖1所示。

圖1 螺栓聯(lián)接在拉伸預(yù)緊過程中的受力與變形過程

（1）螺栓與法蘭處于自然狀態(tài)：如圖1（a）所示

（2）拉伸過程：隨著拉伸器壓力的升高，螺栓到軸向力F而伸長，在拉伸過程中螺母的位移為δ1，由于法蘭受壓而產(chǎn)生變形，位移量為δ2

（3）擰緊螺母過程：保持拉伸力不變，將螺母旋至與法蘭表面接觸，如圖1（c）所示。螺母的行程為δ1，螺栓的實(shí)際變形量為δ1-δ2。

（4）去除拉伸力：螺栓與法蘭在協(xié)調(diào)變形后達(dá)到平衡，螺栓殘余預(yù)緊力P即為所需預(yù)緊力。

（5）溫差法原理：溫差法是利用物質(zhì)熱脹冷縮的原理。溫度降低將引起物體收縮變形，結(jié)構(gòu)的變形受到約束，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部拉力。因此可以采用此法來對螺栓施加預(yù)緊力。其基本思想是：在螺栓上施加一個(gè)負(fù)的溫度載荷，假定螺栓最初安裝的聯(lián)接件上不產(chǎn)生預(yù)緊力，當(dāng)螺栓上作用有負(fù)的溫度載荷（假定初始溫度為0）其他構(gòu)件溫度不變，這時(shí)螺栓必然收縮，受到被聯(lián)接件的約束，最終達(dá)到協(xié)調(diào)變形從而完成預(yù)緊載荷的施加。由材料的熱膨脹性能可知：

其中，ΔT為相對于初始溫度時(shí)的螺栓上作用的溫度載荷。即：

為不影響計(jì)算一般將螺栓的初始溫度T0=0a℃，則

2 有限元模型

某型風(fēng)電塔架基礎(chǔ)法蘭螺栓模型如圖2所示，法蘭螺栓為周期對稱結(jié)構(gòu)，為了便于研究，可先取整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/130作為研究對象，模型包角為5.5。

螺栓：M48x360-10.9

螺栓數(shù)量：100

預(yù)緊力：F=928KN有限元模型

對該螺栓聯(lián)接，采用三維實(shí)體單元HEXA對螺栓和法蘭進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧Ｓ邢拊Ｐ腿鐖D3所示。在模型數(shù)據(jù)見表1。

圖2

圖3

3 拉伸過程模擬

為對后面的分析提供分析依據(jù)，現(xiàn)在用拉伸法來模擬螺栓在預(yù)緊過程時(shí)的逆過程，即在已經(jīng)存在預(yù)緊載荷的螺栓端部施加一個(gè)軸向拉力，隨著拉力的增加，螺母與法蘭間的接觸力會(huì)逐漸減小，當(dāng)接觸力恰好為0時(shí)對應(yīng)的軸向拉力即為螺栓實(shí)際施工時(shí)的操作拉力[1]。具體過程如下：

首先在螺栓上施加一個(gè)預(yù)緊載荷P=928KN，經(jīng)計(jì)算可知螺栓桿中部對應(yīng)的應(yīng)力值為512.162MPa（見圖5）。

表1 有限元模型數(shù)據(jù)表

在螺栓端部施加軸向拉力載荷F（見圖4）。通過高級(jí)非線性靜態(tài)分析可以求得，當(dāng)軸力F=1018KN時(shí)，螺母與法蘭的接觸力正好為0，此時(shí)螺栓桿中心應(yīng)力值為562.584MPa。（見圖6）。

圖4

圖5

圖6

表2 螺栓與被聯(lián)接件變形量

表2為螺栓聯(lián)接在軸向拉力F=1018KN作用時(shí)的變形結(jié)果，位移云圖如圖8所示。

圖8

方法1：根據(jù)拉伸變形結(jié)果分別計(jì)算螺栓和被聯(lián)接件變形的溫度載荷。由公式（3）可計(jì)算螺栓的溫度載荷：

法蘭的溫度載荷為：

將計(jì)算出的負(fù)溫差（4）、（5）分別施加到螺栓和被聯(lián)接件上，由于螺母與法蘭間為接觸單元，最終兩者會(huì)因協(xié)調(diào)變形達(dá)到平衡，此時(shí)螺栓剩余的預(yù)緊力就是實(shí)際預(yù)緊力。計(jì)算結(jié)果見圖9，螺栓桿中部的計(jì)算應(yīng)為：342.404MPa，與此對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力為：619.6KN。

圖9

方法2：將螺母在到拉伸作用力時(shí)的位移換算成溫度載荷并施加到螺栓上。螺母位移：ΔL=δ1=0.887，由（3）可得：

為不影響計(jì)算，將法蘭的溫度載荷設(shè)為0℃。圖10為只施加溫度載荷時(shí)的應(yīng)力分布圖，螺栓桿中部的應(yīng)力值為：523.314MPa，對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力為：947KN。與實(shí)際螺栓預(yù)緊載荷P=928KN時(shí)對應(yīng)的螺栓應(yīng)力較為接近，誤差為2%，可以滿足實(shí)際工程的施工需要[2-3]。

圖10

4 結(jié)語

從上面的分析結(jié)果可以看出，方法1所得到的螺栓應(yīng)力偏差較大，主要原因是當(dāng)對法蘭施加溫度載荷時(shí)，法蘭在溫度載荷的作用下主動(dòng)收縮變形，而在法蘭的變形過程實(shí)為法蘭在螺栓強(qiáng)迫作用下的協(xié)調(diào)變形過程，所以所得到的結(jié)果存在很大的偏差。方法2所得到的螺栓預(yù)緊力偏差較小，通過上述實(shí)例對比，可知在使用溫差法模擬螺栓預(yù)緊載荷時(shí)，正確的施加載荷是保證計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符合的重要保證，也是提供操作載荷的重要依據(jù)。在特殊工況下仍具有相當(dāng)實(shí)用的價(jià)值，如在螺栓預(yù)緊分析案例中容易收斂。