基于ANSYS減小接觸應(yīng)力的輕量化車用螺母的優(yōu)化分析

陳明全 張建

【摘 要】 為了提高車用螺母的安全性、可靠性和輕量化，簡(jiǎn)化車用螺母的實(shí)驗(yàn)過程，本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)緊固件螺母進(jìn)行優(yōu)化，直觀地觀察了六角螺母在預(yù)緊力作用下的力學(xué)特性，對(duì)六角螺母的受力情況進(jìn)行了靜力分析。結(jié)果表明：優(yōu)化前，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都比較大，優(yōu)化后，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都相應(yīng)減?。辉陬A(yù)緊力作用下，通過應(yīng)力釋放槽能夠降低螺母結(jié)合面上會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；在施加相同擠壓力的情況下，應(yīng)力釋放槽起到了釋放應(yīng)力的效果，減小了螺母的接觸面承受的接觸應(yīng)力，提高了螺母的力學(xué)性能；優(yōu)化后六角螺母的受力情況和輕量化明顯優(yōu)于優(yōu)化前，因此，合理加工應(yīng)力釋放槽即可實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目的，又可改善螺母的力學(xué)性能。

【關(guān)鍵詞】 ANSYS；螺母；輕量化；優(yōu)化

[Abstract] In order to improve the safety， reliability， and lightweight of the vehicle nut， simplify the vehicle nut process of the experiment， nut optimization analysis of the fastener using ANSYS software in this paper， visually observed whole process of the hexagonal nut mechanical properties under the preload and the hexagonal nut force condition static analysis. The simulation results showed that the hexagonal nut minimum and maximum von Mises stress was bigger before structure optimization， the hexagonal nut minimum and maximum von Mises stress was bigger reduced， local stress concentration of the nut combined surface can produce through stress release groove under the preload， stress release realized and contact stress of the nut was reduced under the same extrusion force， and the nut mechanical properties was improve as the same time， the force and weight of the nut were more superior after optimization， therefore， reasonable stress release glove can achieve light weight， and can improve the mechanical properties of nut.

[Key words] ANSYS； nut； lightweight； optimization

建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)一直是社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)，由于石油的不可再生性和當(dāng)前的不可替代性，上世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車制造廠商為提升產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，加快了汽車輕量化的研究，我國(guó)雖然在汽車輕量化方面的研究起步較晚，但近年來對(duì)汽車輕量化材料、連接工藝等關(guān)鍵技術(shù)也開展了廣泛地研究。近年來，復(fù)合輕型材料在汽車行業(yè)中所占的比重越來越大，隨著當(dāng)前社會(huì)對(duì)汽車安全性、舒適性及節(jié)能環(huán)保的要求越來越多高，在確保汽車可靠性和安全性能的前提下，最大限度地減輕汽車部件的質(zhì)量已成為汽車行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，因此輕量化設(shè)計(jì)及研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值 [1-5]。

螺母是將機(jī)械設(shè)備緊密連接起來的零件，通過內(nèi)壁上的螺紋將同等規(guī)格螺母和螺栓連接在一起。在螺栓預(yù)緊力作用下，螺栓孔與螺母結(jié)合面上會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果最大應(yīng)力大于螺栓孔材料的屈服強(qiáng)度，螺栓孔區(qū)域附近的材料將會(huì)發(fā)生變形，因而會(huì)影響到其使用性能，在保證強(qiáng)度和可靠性的前提下，本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)緊固件螺母進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步減少車輪質(zhì)量，降低成本[6-7]。

1 仿真模型的建立

Solidworks和ANSYS的系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系都是笛卡爾坐標(biāo)系，因此建立的模型導(dǎo)入時(shí)視圖方向不發(fā)生變化。文采用Solidworks軟件建立GB/T41M24的六角螺母仿真模型，優(yōu)化前的模型如圖1所示，優(yōu)化后模型是在普通六角螺母的周圍表面均布開有應(yīng)力釋放槽，如圖2所示，將該模型導(dǎo)入ANSYS軟件中對(duì)六角螺母進(jìn)行賦值，然后進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，分別如圖3和圖4所示，材料的密度為7.2×103kg/m3，彈性模量為1.1×105MPa，泊松比為0.3[6-11]。

2 仿真模型的設(shè)定

（1）六角螺母單元定義為SOLID185單元。

（2）忽略六角螺母自身的重力。

（3）模型下表面沿Z軸方向施加40MPa的壓力。

（4）模型上表面施加全約束。

（5）模型的下表面定義為接觸表面。

（6）模型材料為各向同性。

3 仿真分析

在預(yù)緊力作用下，在40 MPa壓力作用下螺母表面與連接件表面緊密接觸，從圖5和圖6中可以看出，優(yōu)化前螺母的最大等效應(yīng)力位于上下螺紋孔周邊，其最大等效應(yīng)力為185 MPa，最小等效力為1.77 MPa，最大位移為1.54×10-5mm，螺母接觸面的等效應(yīng)力主要集中在22.1MPa～42.5 MPa范圍之間。優(yōu)化后螺母的最大等效應(yīng)力同樣位于接觸面上螺紋孔周邊，其等效應(yīng)力最大為142 MPa，最小等效應(yīng)力0.84 MPa，最大位移為1.56×10-5mm，螺母接觸面的等效應(yīng)力主要集中在16.5MPa～32.2 MPa范圍之間。優(yōu)化后六角螺母的等效應(yīng)力明顯比優(yōu)化前優(yōu)。因此，可以看出在施加相同擠壓力的情況下，應(yīng)力釋放槽起到了釋放應(yīng)力的效果，降低了螺母的接觸面承受的接觸應(yīng)力，提高了螺母的力學(xué)性能。

4 質(zhì)量分析

在Solidworks中賦予材料的物理屬性，密度為7.2×103kg/m3，彈性模量為1.1×105MPa，泊松比為0.3，然后在質(zhì)量特性中計(jì)算出模型的質(zhì)量，從圖7和圖8中可以看出，優(yōu)化前螺母的質(zhì)量為0.397kg，優(yōu)化后螺母的質(zhì)量為0.362kg，優(yōu)化后螺母質(zhì)量減輕了約8.8%。

5 結(jié)論

在保證安全性和可靠性的前提下，輕量化是人們所關(guān)心的熱點(diǎn)問題，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)螺母釋放應(yīng)力且輕量化的文獻(xiàn)報(bào)道甚少。本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)六角螺母的受力進(jìn)行分析，分析了六角螺母的應(yīng)力釋放槽在緊固過程中對(duì)連接件的影響。得到以下結(jié)論：

（1）優(yōu)化前，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都比較大。

（2）優(yōu)化后，六角螺母等效應(yīng)力最大值和最小值都相應(yīng)有所減小。

（3）在螺栓預(yù)緊力作用下，通過應(yīng)力釋放槽能夠降低螺栓孔與螺母結(jié)合面上會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）在施加相同擠壓力的情況下，應(yīng)力釋放槽起到了釋放應(yīng)力的效果，減小了螺母的接觸面承受的接觸應(yīng)力，提高了螺母的力學(xué)性能。

（5）優(yōu)化后六角螺母的受力情況和輕量化明顯優(yōu)于優(yōu)化前。

本仿真有助于深入了解螺母應(yīng)力釋放槽對(duì)連接件的影響，通過優(yōu)化六角螺母的結(jié)構(gòu)，降低制造成本；有助于了解螺母在預(yù)緊力情況下應(yīng)力產(chǎn)生和存在的規(guī)律；有利于提高六角螺母的使用性能和輕量化，減少因應(yīng)力失效而引起的破壞性事故；簡(jiǎn)化六角螺母結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)過程，為探索六角螺母的安全性、可靠性及輕量化提供了一種新方法。有必要進(jìn)行深入研究合理地選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)、應(yīng)力釋放槽的形狀、動(dòng)載荷下六角螺母的受力情況及防松效果等[9-11]，本仿真還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王維平.鋼制車輪與鋁合金車輪對(duì)比仿真分析與優(yōu)化設(shè) 計(jì)[D].江蘇大學(xué)（汽車與交通工程學(xué)院），2016.

[2] 彭光旭.基于碰撞安全的車身結(jié)構(gòu)輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè) 計(jì)研究析[D].重慶交通大學(xué)（交通運(yùn)輸學(xué)院），2017.

[3] 王林. 轎車側(cè)面碰撞模型簡(jiǎn)化及輕量化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué) （汽車工程學(xué)院），2015.

[4] 李全. 新型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩輕量化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[D].湖南 大學(xué)（機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院），2015.

[5] 冶志亮.基于被動(dòng)安全性的轎車白車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì) [D]. 吉林大學(xué)（汽車工程學(xué)院），2017.

[6] 張玉美，楊斌元，閆海濤. 螺栓預(yù)緊力作用下轎車車輪彎曲 試驗(yàn)的有限元分析[J].機(jī)械制造， 2017，55（634）：96-99.

[7] 陳黎濤，劉義，薛玉君等.螺栓預(yù)緊力的球磨機(jī)滾筒應(yīng)力有 限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，（7）：4-7.

[8] 楊輝，韓江，褚向前.螺栓聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力及結(jié)合面剛度 影響因素研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，20165， 37（1）：128-132.

[9] 丁勝鵬，歐屹，韓軍等. 螺母預(yù)緊力對(duì)滾珠絲杠副振動(dòng)特性 的影響[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)， 2017，（4）：5-9.

[10] 催廣健，孫登月. 2800七輥厚板矯直機(jī)壓下螺母應(yīng)力分 析及參數(shù)確定[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016，（7）：119-125.

[11] 馮磊，軒福貞. 非金屬夾雜物對(duì)材料內(nèi)部局部應(yīng)力集中 的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（8）：41-48.