邵振威，李有亮，趙春雨

（明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東中山528437）

0 引言

螺栓連接是工程結(jié)構(gòu)中較為普遍的一種連接方式，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠、使用方便的特點(diǎn)。在風(fēng)電裝備制造零部件中，為了便于較快組裝、拆卸、運(yùn)輸，風(fēng)電主機(jī)運(yùn)輸工裝結(jié)構(gòu)多采用螺栓連接。在風(fēng)電機(jī)組大部件運(yùn)輸過程中，由于受到路面及海面工況的影響，運(yùn)輸工裝受力較為復(fù)雜，特別是海上運(yùn)輸時(shí)，極端天氣較為惡劣，運(yùn)輸工裝承載較大的載荷，因此螺栓連接的可靠性至關(guān)重要。

當(dāng)前，對(duì)于復(fù)雜工況下螺栓的分析多借助于有限元分析方法，但有限元的精度與采用的模型密切相關(guān)，模型主要包括二維軸對(duì)稱模型[1]、三維軸對(duì)稱模型[2]、三維精確螺紋模型[3]及梁?jiǎn)卧Ｐ蚚4]。二維、三維模型能夠較好地考慮到螺紋的受力情況，但在處理螺栓數(shù)量規(guī)模較大、螺栓種類不同時(shí)，建模效率較低，計(jì)算成本太高，因此找到一種滿足計(jì)算精度要求、建模便捷及計(jì)算成本較低的螺栓有限元分析方法具有十分重要的意義。

本文采用ANSYS有限元軟件建立螺栓的三維對(duì)稱簡(jiǎn)化模型、無螺紋實(shí)體模型、梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合模型、梁?jiǎn)卧Ｐ?，分別獲得螺栓上的對(duì)應(yīng)位置處的軸向應(yīng)力，并對(duì)提取的軸向應(yīng)力進(jìn)行比較，分析以上幾種模型方法的差別。

1 螺栓有限元模型

圖1為某風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸工裝，為方便對(duì)比研究，取工裝的部分簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。其中，采用的螺栓規(guī)格為M36×4，螺栓各部分尺寸均參照ISO公制系列六角螺栓和六角螺母的規(guī)定值，采用ISO配套墊片。

采用的有限元模型中，三維對(duì)稱簡(jiǎn)化模型及無螺紋實(shí)體模型均采用Solid185低階六面體單元，如圖3（a）、圖3（b）所示；梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合模型采用Beam188 單元，螺栓兩端與螺帽內(nèi)環(huán)面進(jìn)行MPC綁定，約束端點(diǎn)與螺母內(nèi)環(huán)面節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度，其中Beam188梁?jiǎn)卧獧M截面直徑為36 mm，如圖3（c）所示；梁?jiǎn)卧Ｐ筒捎肂eam188、Beam4單元，組合模式見圖3（d）所示，其中Beam188梁?jiǎn)卧獧M截面直徑為36 mm，Beam4橫截面直徑均為18 mm。

圖1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸工裝整體三維模型

圖2 部分簡(jiǎn)化模型

圖3 有限元模型

表1 螺栓尺寸參數(shù)及預(yù)緊力加載值

2 加載及約束

有限元分析中常用的預(yù)緊方式有預(yù)緊截面法、溫度載荷法[5]和過盈配合法，本文采用預(yù)緊截面法加載。表1為螺栓尺寸參數(shù)及預(yù)緊力加載值，其中預(yù)緊時(shí)擰緊系數(shù)參考VDI2230[6]確定，采用目標(biāo)預(yù)緊值進(jìn)行加載。

模型中板材間建立標(biāo)準(zhǔn)接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.38，螺紋端螺帽與螺栓間建立標(biāo)準(zhǔn)接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2，墊片與板材間建立綁定接觸。模型上端面施加面載荷Py=-145 MPa，Pz=5 MPa。模型底端面全約束，如圖4所示。

3 結(jié)果分析

根據(jù)材料力學(xué)[7]知：

圖4 模型加載約束示意圖

圖5 螺栓應(yīng)力提取位置

對(duì)以上4種模型分別提取各值，結(jié)果如表2～表5所示。

表2 三維對(duì)稱簡(jiǎn)化螺紋模型應(yīng)力結(jié)果

表3 無螺紋實(shí)體模型應(yīng)力結(jié)果

表4 梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合模型應(yīng)力結(jié)果

表5 梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力結(jié)果

綜合對(duì)比各個(gè)模型中螺栓軸向等效應(yīng)力值發(fā)現(xiàn)，4種模型得出的螺栓對(duì)應(yīng)位置處的軸向等效應(yīng)力值接近。其中，梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合模型所得到的值比其他模型值較大，這是由于Beam梁端點(diǎn)與螺帽內(nèi)接觸面節(jié)點(diǎn)耦合自由度造成剛度較大引起的，與實(shí)際螺栓與螺帽間嚙合有一定的偏差，但從本文模型的數(shù)據(jù)來看，最大偏差為3.6%，若出于保守考慮，可以采用梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合模型替代螺栓實(shí)體模型進(jìn)行螺栓的初步校核。

采用梁?jiǎn)卧Ｐ团c三維對(duì)稱簡(jiǎn)化螺紋模型值較為接近，從本文的數(shù)值來看，兩者最大偏差為3.24%，在合理的誤差范圍內(nèi)。由于梁?jiǎn)卧Ｐ湍軌蚰M螺紋的嚙合情況，因此推薦采用此種方法進(jìn)行螺栓數(shù)量較多的校核分析。

采用以上4種模型方法得到的數(shù)值是一致的，說明模型的準(zhǔn)確性。但從實(shí)際建模速度及計(jì)算效率而言，采用梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合方法和梁?jiǎn)卧７椒ê?jiǎn)單，計(jì)算效率更高，尤其在進(jìn)行較多數(shù)量的螺栓校核時(shí)優(yōu)勢(shì)更為明顯。

4 結(jié)論

針對(duì)某一工裝中多個(gè)螺栓有限元分析，建立了三維對(duì)稱簡(jiǎn)化螺紋模型、無螺紋螺栓實(shí)體、梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合、梁?jiǎn)卧?種模型，分別對(duì)螺桿相應(yīng)位置進(jìn)行了應(yīng)力分析，得到了軸向的等效應(yīng)力值。對(duì)4種模型值進(jìn)行了分析對(duì)比，得出了以下結(jié)論：1）4種模型得到的螺栓等效應(yīng)力值較為接近，并且趨勢(shì)一致，證明了各個(gè)模型建立的準(zhǔn)確性；2）采用梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)耦合方法得到的值較其他3種方法較大，這是由于Beam梁端點(diǎn)與螺帽內(nèi)接觸面節(jié)點(diǎn)耦合自由度造成剛度較大引起的，但出于保守考慮，可以采用此種方法替代實(shí)體模型進(jìn)行螺栓的初步校核；3）梁?jiǎn)卧Ｐ团c三維對(duì)稱簡(jiǎn)化螺紋模型值更為接近，并且由于梁?jiǎn)卧Ｐ湍軌蚰M螺紋的嚙合情況，推薦優(yōu)先使用該方法。