基于ANSYS的被聯(lián)件剛性對(duì)螺栓強(qiáng)度影響的研究

李珍珠，廖虎靈，吳克亮，鄒 瑞（三一集團(tuán)浙江三一裝備有限公司，浙江湖州313028）

基于ANSYS的被聯(lián)件剛性對(duì)螺栓強(qiáng)度影響的研究

李珍珠，廖虎靈，吳克亮，鄒 瑞
（三一集團(tuán)浙江三一裝備有限公司，浙江湖州313028）

為研究螺栓強(qiáng)度的影響因素，以某工程機(jī)械安裝螺栓及其被聯(lián)接件為例，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析，計(jì)算了不同被聯(lián)接件剛度下螺栓的應(yīng)力、應(yīng)力幅，并結(jié)合應(yīng)力試驗(yàn)，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性和適用性，再通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了螺栓所受應(yīng)力幅與其疲勞壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系.結(jié)果表明：被聯(lián)接件剛度越好，螺栓所受應(yīng)力幅越小，其疲勞強(qiáng)度越小，疲勞壽命越長(zhǎng).

被聯(lián)接件剛性；螺栓強(qiáng)度；有限元

高強(qiáng)度螺栓被廣泛應(yīng)用于很多關(guān)鍵、重要場(chǎng)所，如用于挖掘機(jī)、起重機(jī)等工程機(jī)械回轉(zhuǎn)支承與整機(jī)上下體連接的螺栓就是極為重要的一個(gè)安全因素，一旦發(fā)生失效、斷裂破壞，就會(huì)造成嚴(yán)重后果.但國內(nèi)外資料在螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)方面一般側(cè)重于螺紋件本身的結(jié)構(gòu)受力和加工技術(shù)，在進(jìn)行各種理論計(jì)算時(shí)，通常也都是以螺栓的被聯(lián)接件剛性是足夠的為前提來進(jìn)行螺栓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的計(jì)算和校核，而往往忽視了被聯(lián)接件本身剛性對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響.

在實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因被聯(lián)接件剛性不足而導(dǎo)致螺栓過早疲勞斷裂的情況.本文以某工程機(jī)械的回轉(zhuǎn)支承的安裝螺栓為例.此類高強(qiáng)度螺栓通常受到兩個(gè)力：一是安裝時(shí)施加在螺栓上的預(yù)緊力，對(duì)于一定規(guī)格的高強(qiáng)度螺栓，預(yù)緊力基本為定值，則螺栓受到的是恒定負(fù)載；二是工作載荷傳遞到螺栓上的變化負(fù)載.根據(jù)疲勞理論S-N曲線，螺栓所受應(yīng)力幅S越小，則其耐疲勞次數(shù)N越大.受軸向變載荷的預(yù)緊螺栓連接，在最小應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)力幅越小，則螺栓越不容易發(fā)生疲勞破壞，連接的可靠性越高［1］.故本文通過有限元仿真，計(jì)算出不同剛度被聯(lián)接件對(duì)應(yīng)的螺栓所受應(yīng)力幅，分析被聯(lián)接件剛度對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響，最后通過實(shí)際工程試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元仿真的正確性，為工程實(shí)際應(yīng)用中通過優(yōu)化被聯(lián)接件剛度來提高螺栓疲勞強(qiáng)度提供了參考依據(jù).

1　結(jié)構(gòu)模型的有限元計(jì)算

［2-4］，對(duì)被聯(lián)接件三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并在有限元仿真軟件ANSYS中建立螺栓、被聯(lián)接結(jié)構(gòu)件的模型（見圖1）.有限元模型中材料參數(shù)為：彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3.截面屬性均取為Solid，Homogenous.有限元模型考慮重力的影響，重力加速度g=9.8m/s2.模型中實(shí)體采用Solid185單元，接觸及目標(biāo)單元分別為CONTA 174/TARGE 170，螺栓預(yù)緊單元為PRETS179.螺栓單元為六面體，其余為四面體.被聯(lián)接件之間、被聯(lián)接件與螺栓之間建立接觸，摩擦系數(shù)取0.2，按定義好的工況參數(shù)施加材料參數(shù)與載荷；在有限元計(jì)算時(shí)分成不同載荷步，以分別研究恒定負(fù)載和變化負(fù)載給螺栓帶來的應(yīng)力，從而了解螺栓的應(yīng)力幅：一是單獨(dú)給螺栓施加軸向預(yù)緊力（不考慮螺紋摩擦力矩）；二是添加轉(zhuǎn)臺(tái)載荷.在轉(zhuǎn)臺(tái)上8個(gè)鉸點(diǎn)銷孔中心分別建質(zhì)量點(diǎn)單元MASS21，然后在各質(zhì)量點(diǎn)與銷孔面上節(jié)點(diǎn)建剛度耦合，并在這些質(zhì)量點(diǎn)上施加集中力.

圖1　有限元模型Fig.1FEM model

運(yùn)行模型計(jì)算后，得到的仿真結(jié)果如圖2～4所示.由圖2可見，仿真結(jié)果重現(xiàn)了被聯(lián)接件在實(shí)際工作中出現(xiàn)的微彎曲現(xiàn)象.

圖2　安裝螺栓板的位移（UY）云圖Fig.2 Displacement（UY）vector contour of bolt-connecting plate

2　試驗(yàn)驗(yàn)證

將被聯(lián)接件與螺栓聯(lián)接的機(jī)器進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn).在被聯(lián)接件安裝螺栓板上貼應(yīng)變片，進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試.試驗(yàn)設(shè)備：東華DH 3819D應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)、電阻式應(yīng)變片（阻值120Ω）.貼片點(diǎn)位置和貼片照片如圖5所示.

圖3　安裝螺栓板的等效應(yīng)力云圖Fig.3Von Mises stress contour of bolt-connecting plate

圖4　螺栓組等效應(yīng)力云圖Fig.4Von Mises stress contour of bolts

圖5　被聯(lián)接件上貼應(yīng)變片圖Fig.5Photo of connected component with stress gauge

貼片點(diǎn)的應(yīng)力值測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示.顯然，仿真應(yīng)力值與測(cè)試應(yīng)力值吻合較好.經(jīng)過約368h的連續(xù)性強(qiáng)化試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)序號(hào)為4～25的22顆螺栓出現(xiàn)斷裂破壞.從斷口形式可看出是明顯的疲勞破壞，如圖6，7所示.

另外，由圖4（螺栓組等效應(yīng)力云圖）可見，序號(hào)為3～17的螺栓應(yīng)力值偏高.

表1　貼片點(diǎn)仿真應(yīng)力值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.1 Stress gauge results compared with FEM results

圖6　斷裂與未斷裂螺栓（部分）Fig.6 Ruptured and non-ruptured bolts（partial）

圖7　斷裂螺栓截面Fig.7 Section of ruptured bolt

綜上所述可知：

（1）被聯(lián)接件的變形及應(yīng)力情況與實(shí)際試驗(yàn)情況相符.

（2）被聯(lián)接件上應(yīng)力值偏高的螺栓在試驗(yàn)中出現(xiàn)斷裂的機(jī)會(huì)遠(yuǎn)大于應(yīng)力值偏低的螺栓.

（3）螺桿應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)與實(shí)際破壞情況相符.由此驗(yàn)證了建模與仿真過程的正確性，可為優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)意義.

3　改善被聯(lián)接件剛性后對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響

更改被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)，增加螺栓附近被聯(lián)接件的剛度，再次導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行仿真分析.得到的分析結(jié)果如圖8～10所示.

由圖8可見，被聯(lián)接件的最大變形量從1.373mm（見圖2）降至1.077mm，降幅為22%.

圖8　被聯(lián)接件剛性增強(qiáng)后安裝螺栓板的位移（UY）云圖Fig.8Displacement（UY）vector contour of bolt-connecting plate with more rigidity

圖9　被聯(lián)接件剛性增強(qiáng)后安裝螺栓板的等效應(yīng)力云圖Fig.9Von Mises stress contour of bolt-connecting plate with more rigidity

圖10　被聯(lián)接件剛性增強(qiáng)后螺栓組等效應(yīng)力云圖Fig.10Von Mises stress contour of bolts with more rigidity

由螺栓組等效應(yīng)力圖中可看出：受力最大的螺栓總應(yīng)力值從748MPa下降到737MPa，只下降11MPa.但是，受軸向變載荷的預(yù)緊螺栓連接，在最小應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)力幅越小，則螺栓越不容易發(fā)生疲勞破壞，連接的可靠性越高［1］.疲勞應(yīng)力分解示意圖見圖11［5］.

再次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，在經(jīng)歷同樣的連續(xù)性強(qiáng)化試驗(yàn)約360h后，螺栓未出現(xiàn)斷裂破壞現(xiàn)象.

圖11　疲勞應(yīng)力分解示意圖［5］Fig.11Fatigue stress components diagram

4　結(jié)語

（1）本文建立的被聯(lián)接件與螺栓連接的有限元模型在宏觀破壞形態(tài)和承載力、應(yīng)力計(jì)算值等方面與試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好，驗(yàn)證了模型中采用的單元類型、接觸類型、加載條件等的合理性.

（2）通過有限元結(jié)果指導(dǎo)了對(duì)被聯(lián)接件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并能夠按照預(yù)期實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛性的改善.

（3）被聯(lián)接件剛性改善21%，相應(yīng)的螺栓應(yīng)力幅下降39%，說明被聯(lián)接件剛性對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響較大.

（4）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本文進(jìn)行的有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等能夠較為準(zhǔn)確地模擬螺栓實(shí)際聯(lián)接的受力性能，可以有效指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用.

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BS 7608—1993Fatigue design and assessment for steel structure［S］.

Research on rigidity effect from connected components on bolts’strength based on ANSYS

LI Zhen-zhu，LIAO Hu-ling，WU Ke-liang，ZOU Rui
（Zhejiang SANY Equipment Co.，Ltd.，SANY Group，Huzhou 313028，China

With regard to bolt strength impact factors，by using the bolt and connector assembly as an example，an ANSYSTM-based simulation and analysis is first conducted.Then，the correlation among stress， stress amplitude and fatigue life is calculated on connector rigidity.Finally，the precision and applicability of the proposed model，along with the relationship between stress amplitude and fatigue life，are validated via fatigue testing.Therefore，it is found from results that the higher the connector rigidity，the smaller the stress amplitude is，while the lower the fatigue strength，the longer the fatigue life is.

connector rigidity；bolt strength；finite element

TH 122

A

1672-5581（2015）06-0562-04

李珍珠（1983—），女，工程師，碩士.E-mail：pearl83121@163.com