連接件栓焊結(jié)合面動態(tài)特性因素仿真分析

王 媛 易 鑫 姜稀臏

（1.煙臺生產(chǎn)力促進中心，煙臺264000；2.煙臺大學 機電汽車工程學院，煙臺264000）

當機械結(jié)構(gòu)連接剛度要求較高時，多采用焊縫連接和高強度螺栓連接，作為最普遍的并用連接形式，栓焊并用連接越來越受到設(shè)計者的重視[1-2]。為了得到準確的栓焊結(jié)合面數(shù)據(jù)，有必要研究栓焊結(jié)合面動態(tài)特性的影響因素。

對接式栓焊結(jié)合面中，影響栓焊結(jié)合面的影響因素有螺栓個數(shù)、螺栓預(yù)緊力、螺栓失效、焊縫失效、布局形式、表面的粗糙度、接觸之間的介質(zhì)以及接觸狀態(tài)等[3-5]。針對栓焊結(jié)合面應(yīng)用方式，本文主要研究螺栓預(yù)緊力和螺栓個數(shù)對結(jié)合面動態(tài)特性的影響。

1 栓焊結(jié)合面模型建立

1.1 栓焊連接件模型建立

首先建立對接式栓焊連接件模型，每個連接件采用兩個200mm×200mm的板材連接而成，材料為Q345，兩個連接件采用先栓后焊的方式進行連接，結(jié)合面尺寸是200mm×200mm，兩板由4個M6的螺栓連接，單個螺栓預(yù)緊力矩8N·m，焊條材料為E5015。在SOLLIDWORKS中建立對接式栓焊連接件的模型，如圖1所示。

1.2 栓焊結(jié)合面模型建立

焊縫建模時，在Workbench中導入模型后，設(shè)置焊縫材料為E5015焊條，設(shè)置焊條參數(shù)。按上述結(jié)合面的建模方法建立栓焊結(jié)合面模型，如圖2所示。

圖1 栓焊連接件模型

圖2 栓焊結(jié)合面模型

2 栓焊連接件動態(tài)特性分析

2.1 預(yù)緊力對結(jié)合面動態(tài)特性的影響

根據(jù)《緊固件國家標準》（Q/STB12.521.5-2000）可知，M6螺栓的螺栓等級為12.9，能承受的最大預(yù)緊力矩為20N·m。因此，設(shè)置預(yù)緊力分別為5N·m、10N·m、15N·m、20N·m時進行仿真試驗，由仿真結(jié)果得出四種預(yù)緊力振型基本一致，結(jié)果如表1所示。

由表1固有頻率可知，隨著螺栓預(yù)緊力的增加，栓焊連接件的固有頻率會增加，但對螺栓結(jié)合面的影響不是特別明顯。

表1 有限元仿真固有頻率對比

2.2 螺栓個數(shù)對栓焊結(jié)合面的影響

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓技術(shù)規(guī)程2011》，螺栓間距L應(yīng)滿足：

修正螺栓極限作用半徑為：

焊接結(jié)合面的尺寸為200mm×200mm，因此保證螺栓不相互干涉的螺栓最大個數(shù)為25個。設(shè)置結(jié)合面螺栓個數(shù)為4個、9個、16個、25個，分別進行有限元仿真分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同螺栓個數(shù)固有頻率對比

由仿真結(jié)果可以得出，在大于修正螺栓極限作用半徑范圍時，螺栓數(shù)目越多，連接件固有頻率越大，栓焊連接件的剛性越好。

3 結(jié)語

本文運用三維建模軟件SOLLIDWORKS和有限元軟件ANSYSWB，對對接式栓焊并用連接件進行有限元建模，分別改變螺栓預(yù)緊力、螺栓個數(shù)參數(shù)設(shè)置，進行動態(tài)特性仿真。結(jié)果表明，在螺栓所能承受預(yù)緊力范圍內(nèi)，螺栓預(yù)緊力越大，連接件固有頻率越高，機械結(jié)構(gòu)剛性越好；在大于螺栓極限作用半徑時，螺栓間距越接近極限作用半徑，連接件固有頻率越高，機械結(jié)構(gòu)剛性越好。分析影響結(jié)合面動態(tài)特性的因素，對對接式栓焊并用連接件的應(yīng)用具有一定的參考價值，節(jié)省了樣機試制耗費的時間、材料和管理成本，縮短了項目的研發(fā)周期。