基于ANSYS的螺栓連接強(qiáng)度評估的二次開發(fā)

高吉娥，王劍

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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基于ANSYS的螺栓連接強(qiáng)度評估的二次開發(fā)

高吉娥，王劍

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

以車輛連接螺栓為研究對象，利用Tcl/Tk語言對ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行二次開發(fā). 依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》對鐵路車輛連接螺栓進(jìn)行靜強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度評估，結(jié)合ANSYS開發(fā)語言APDL對各種評估過程進(jìn)行整合并創(chuàng)建了評估界面.實(shí)現(xiàn)了可視化的界面操作，完成了評估過程的自動(dòng)計(jì)算及結(jié)果輸出.

ANSYS；Tcl/Tk；螺栓；二次開發(fā)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，近年來我國高速鐵路迅速發(fā)展，安全穩(wěn)定是車輛運(yùn)行的基本要求，要保證車輛安全平穩(wěn)的行駛，鐵路車輛的連接結(jié)構(gòu)安全也是起到至關(guān)重要的作用. 鐵路車輛的許多吊裝設(shè)備主要是由螺栓與車體連接，連接螺栓的安全性能直接關(guān)系著車體運(yùn)行的安全，本文所要研究的主要內(nèi)容正是針對車輛螺栓連接強(qiáng)度問題. 目前對螺栓強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)采用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[1- 2],但有限元后處理模塊中缺少與該評估過程對應(yīng)的功能，本文正是為了解決這一問題,根據(jù)現(xiàn)有常用的評估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模塊化整理，創(chuàng)建可視化工作界面，并嵌入到ANSYS軟件中，方便用戶使用.

1 螺栓連接強(qiáng)度評估理論

有限元分析中對螺栓、鉚接結(jié)構(gòu)一般采用剛性元、梁元組合方式進(jìn)行模擬(對鉚釘僅考慮連接作用)來進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)仿真分析. 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算要求，提取螺栓軸向內(nèi)力、剪切內(nèi)力分別對螺栓進(jìn)行靜強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度評估. 對比計(jì)算所得應(yīng)力與屈服應(yīng)力或許用應(yīng)力，計(jì)算應(yīng)力小于相應(yīng)屈服應(yīng)力或許用應(yīng)力即認(rèn)為螺栓強(qiáng)度滿足要求.

1.1 靜強(qiáng)度評估過程

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可以提取模擬螺栓梁單元軸力，進(jìn)而得到螺栓的實(shí)際工作拉力. 螺栓工作過程中主要承受抗拉強(qiáng)度，若梁元受到的軸力為負(fù)，可以起到緩解螺栓內(nèi)由于預(yù)緊而產(chǎn)生的拉力，評估過程可以忽略不計(jì). 具體計(jì)算過程如下：

(1)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果提取螺栓軸力Fx；

(2)計(jì)算螺栓的工作拉力F(若Fx>0,F=Fx;若Fx≤0,F=0);

(3)計(jì)算螺栓預(yù)緊力Qp,根據(jù)公式Qp=T/0.2d;

(4)計(jì)算螺栓總軸向力Q=Qp+0.3F;

(5)計(jì)算螺栓工作應(yīng)力σca=1.3Q/A.

1.2 擠壓強(qiáng)度評估過程

(1)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果提取螺栓剪力F1、F2;

(3)計(jì)算擠壓應(yīng)力σ=F/A.

其中:A為承壓面積，A=d0×lmin，d0為螺栓孔直徑，lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度. 最后根據(jù)計(jì)算擠壓應(yīng)力與螺栓許用擠壓應(yīng)力比較即可確定螺栓是否滿足設(shè)計(jì)要求.

1.3 剪切強(qiáng)度評估過程

(1)提取螺栓剪力F1、F2；

(3)計(jì)算剪切應(yīng)力σ=F/A.

2 評估界面開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

ANSYS[3]在有限元分析中得到廣泛應(yīng)用，集成了結(jié)構(gòu)、電學(xué)、流場等多個(gè)模塊，功能十分強(qiáng)大. 但在處理專業(yè)具體問題上，同樣存在操作繁瑣、不易掌握等問題，本文結(jié)合Tcl/Tk工具控制語言、APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，系統(tǒng)地分析了ANSYS流程自動(dòng)化過程，編制了螺栓評估過程對應(yīng)的宏文件，實(shí)現(xiàn)了螺栓評估過程的自動(dòng)計(jì)算.研究了ANSYS流程自動(dòng)化系統(tǒng)工具，創(chuàng)建了自定義圖形用戶界面，實(shí)現(xiàn)了用戶自定義參數(shù)與ANSYS參數(shù)的數(shù)據(jù)傳遞，面向車輛CAE關(guān)鍵問題進(jìn)行了二次開發(fā)，為具體問題的仿真分析與評估提供了快捷方便的分析工具.

2.1 APDL語言概述

APDL[3]即ANSYS Parametric Design Language(ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言)，是一種解釋性語言,可以用于參數(shù)化建模，也可用來自動(dòng)完成某些通用性強(qiáng)的任務(wù)或?qū)Ｓ贸绦?APDL包含豐富的控制結(jié)構(gòu)命令[3]，如if-then-else分支，do循環(huán)，標(biāo)量、向量及矩陣操作等，ANSYS命令通過APDL組織起來編寫參數(shù)化通用程序，極大的提高了分析效率.

對于常用的重復(fù)分析結(jié)構(gòu)過程用戶還可以編制宏命令. 宏[4- 5]是為了實(shí)現(xiàn)某種特殊功能而編制的命令組合，實(shí)質(zhì)上是參數(shù)化的模塊小程序，可以當(dāng)作ANSYS的命令處理，可以有輸入?yún)?shù)或沒有輸入?yún)?shù). ANSYS工具條就是一個(gè)縮寫的宏命令.

2.2 Tcl/Tk的界面設(shè)計(jì)方法

Tcl(Tool Command Language)是一種解釋執(zhí)行的腳本語言[6- 8],具有if條件控制、for循環(huán)控制和switch控制等控制結(jié)構(gòu)，還可以靈活定義和調(diào)用過程，實(shí)現(xiàn)特定功能與按鈕的綁定.Tk[6- 8]是基于Tcl語言的界面設(shè)計(jì)開發(fā)工具箱,包含圖形用戶界面設(shè)計(jì)常用的各種組件.二者結(jié)合可用于ANSYS的界面開發(fā),界面的的創(chuàng)建過程通常包括以下幾個(gè)步驟[3]：

(1)頂層窗口的建立

Tk遵循層次結(jié)構(gòu)，對話框是一個(gè)窗口，應(yīng)首先建立窗口才能放置對應(yīng)的組件. 可以用TK的toplevel命令來創(chuàng)建一個(gè)頂層窗口的框架，例如：

toplevel.topwin-width 150-height 50 #創(chuàng)建一個(gè)名為topwin，尺寸為150×50的窗口

(2)組件的添加及布局

Tk提供了建立多種組件的命令，簡單的如button創(chuàng)建按鈕命令、entry創(chuàng)建單行輸入文本框等，窗口中各組件的合理布局主要通過組件管理器來設(shè)計(jì)，Tcl/Tk常用管理器包括pack：打包管理器；grid:柵格擺放管理器；place:定位擺放管理器.

(3)APDL與Tcl/Tk的結(jié)合

APDL命令可以很方便的與Tcl/Tk結(jié)合，可以通過調(diào)用ANSYS API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

ans_sendcommand:向ANSYS數(shù)據(jù)庫傳遞APDL命令；

ans_getvalue:從ANSYS數(shù)據(jù)庫獲取變量值；

ans_getvector:從ANSYS數(shù)據(jù)庫中獲得向量值.

(4)窗口的撤銷

當(dāng)窗口對話結(jié)束的時(shí)候，應(yīng)該釋放掉它占用的資源，所以要在相應(yīng)的過程中加入窗口撤銷語句，例如destroy.topwin命令

2.3 界面程序的調(diào)用方法

APDL可以很方便的與Tcl/Tk結(jié)合，可以通過調(diào)用ANSYS API函數(shù)來實(shí)現(xiàn). 使用Tcl/Tk編寫的界面文件通常以.tcl為擴(kuò)展名，假定文件名為filename.tcl，ANSYS可以通過以下方式來調(diào)用該文件：

命令行輸入有三種方式：

～tcl,’source filename.tcl’;

～tk,’source filename.tcl’;

～eui,’source filename.tcl’.

宏文件方式：

ANSYS自帶的toolbar組件還可以定制用戶化工具條按鈕，直接調(diào)用界面程序. 實(shí)現(xiàn)方法是：通過命令

ABBR,BPPE,～eui,’source filename.tcl’

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 高速動(dòng)車組塞拉門有限元模型

應(yīng)用上述二次開發(fā)模板，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》校核某高速動(dòng)車組塞拉門吊裝模型門板與車體連接處8根螺栓(M8，8.8級)的連接強(qiáng)度. 塞拉門吊裝有限元模型采用空間四節(jié)點(diǎn)殼單元和六面體單元混合建模的方式，門板與車體連接處采用BEAM188單元模擬螺栓連接關(guān)系，有限元模型及螺栓編號如圖1所示.有限元模型的單元總數(shù)為190 470，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為189 494.

圖1 有限元模型及螺栓編號

上述模型中，M8螺栓為8.8級，屈服極限為640 MPa；危險(xiǎn)截面直徑6.647 mm，其預(yù)緊力矩T為22 N·m，預(yù)緊力Qp為13 750 N；根據(jù)實(shí)際模型計(jì)算M8螺栓承壓面積為26.4 mm2，許用擠壓應(yīng)力為512 MPa；承剪面積為60.82 mm2，許用剪切應(yīng)力256 MPa.

塞拉門的計(jì)算工況依據(jù)EN- 12663- 1∶2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的客運(yùn)車輛附屬設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)載荷，由縱向3倍加速度、橫向1倍加速度、垂向(1±c)倍加速度三種情況組合為八種工況(c在此模型中近似取2).

3.2 連接強(qiáng)度分析結(jié)果

依據(jù)上述有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到第三載荷工況下的計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示：

圖2 塞拉門整體位移云圖

圖3 塞拉門整體應(yīng)力云圖

啟動(dòng)ANSYS螺栓通用后處理分析模塊BPPE(Bolt Post-Process Evaluation)按鈕，調(diào)用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》評估參數(shù)設(shè)置界面(如圖4～圖6所示),依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》評估螺栓強(qiáng)度.

圖4 ANSYS自定義工具欄

圖5 后處理工具箱主窗口

圖6 評估過程參數(shù)設(shè)置窗口

以第三工況為例，對評估界面按要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、計(jì)算，并自動(dòng)輸出計(jì)算結(jié)果，如表1所示：

表1 評估結(jié)果匯總

塞拉門門板與車體的連接螺栓有限元分析結(jié)果表明：基于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》標(biāo)準(zhǔn)的等級為8.8級ISO4017- 1999 M8×30的螺栓工作應(yīng)力小于螺栓的許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)論

本文介紹了《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中螺栓靜強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的評估方法，結(jié)合APDL開發(fā)語言編制評估過程的宏命令，利用Tcl/Tk界面開發(fā)工具創(chuàng)建評估界面，并成功嵌入到ANSYS中. 實(shí)現(xiàn)了界面化輸入評估參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果，完善了ANSYS后處理功能，提高了用戶分析效率.

[1]孫志禮.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2009:37- 49.

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ANSYS based on Secondary Development of Bolts Link Strength Evaluation

GAO Jie,WANG Jian

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

This paper based on the vehicle connecting bolts as research object,aiming at ANSYS finite element analysis software for secondary development with the Tcl/Tk language.On the basis of “Mechanical Design Manual”,the static strength,compression strength and shear strength of railway vehicle connection bolt are studied.Combining with ANSYS APDL language,a variety of evaluation process integration is conducted,and the assessment interface is created.The visualization of the interface is realized and the automatic calculation of the evaluation process and result output are completed.

ANSYS;Tcl/Tk;bolt;secondary development

1673- 9590(2016)02- 0014- 04

2015- 05- 21

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2013BAG21Q01)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014J004-N)

高吉娥(1989-)，女，碩士研究生;王劍(1976-)，男，副教授，博士，主要從事車輛CAE關(guān)鍵技術(shù)研究E-mail:wangjian_126@163.com.

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