閆琳 任娜 康建偉 李少敏
摘 要:文章建立了螺栓裝配總成的有限元模型,通過(guò)有限元分析,淺析預(yù)緊力大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響,并與實(shí)際失效件進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明螺栓預(yù)緊力不足,容易引發(fā)斷裂故障。
關(guān)鍵詞:預(yù)緊力;有限元分析;螺栓強(qiáng)度
中圖分類(lèi)號(hào):U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-7988(2018)17-98-02
Abstract: An finite element analysis is made to show the relationship between pretension and strength of bolt. Research has revealed that pre-tension force directly affects the bolt strength, and bolt will be broken in service with less pretension force.
Keywords: Pretension force; finite element analysis; bolt strength
CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)17-98-02
前言
螺栓連接結(jié)構(gòu)易于組裝和拆卸,因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。安裝螺栓時(shí),必須擰緊螺栓接頭,使連接件在螺栓拉伸時(shí)被壓縮,作用于螺栓的預(yù)加力稱(chēng)為預(yù)緊力[1]。預(yù)緊的目的是加強(qiáng)連接的可靠性和緊湊性[2]。在裝配過(guò)程中,選取合理的預(yù)緊力是保證裝配件長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的必要條件[3]。
空氣懸架系統(tǒng),減振器通常采用螺栓安裝在氣囊托架上。某載貨車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中,該處螺栓發(fā)生斷裂,造成懸架系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
本文采用Hypermesh軟件建立相關(guān)有限元模型,并模擬實(shí)際情況,對(duì)模型進(jìn)行約束及邊界條件加載,通過(guò)有限元仿真,分析了預(yù)緊力的大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。
1 預(yù)緊力及限位力選取
減振器下安裝點(diǎn)通過(guò)螺栓、螺母安裝在氣囊托架上,如圖1所示,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該螺栓的預(yù)緊力為54000N。在螺栓的實(shí)際安裝及使用過(guò)程中,可能存在預(yù)緊力不足或衰減的情況,因此本文采用兩種工況,分別對(duì)螺栓加載54000N和5400N的預(yù)緊力,來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。
當(dāng)懸架系統(tǒng)下跳至減振器限位時(shí),該螺栓受到35000N的剪切力。
2 有限元分析
2.1 有限元建模
評(píng)估螺栓強(qiáng)度,需要考慮螺栓預(yù)緊力、螺栓螺母和連接件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此螺栓、螺母采用實(shí)體單元建立詳細(xì)的網(wǎng)格模型,如圖2所示。
2.2 模型材料參數(shù)
模型中,螺栓材料為40Cr,材料參數(shù)如表1。
2.3 邊界條件
在減振器下安裝點(diǎn)加載向下的沖擊力,在螺栓上加載預(yù)緊力,螺栓和墊片、螺母之間建立接觸,約束氣囊托架,如圖3所示。
2.4 分析結(jié)果
分別對(duì)螺栓加載54000N和5400N的預(yù)緊力,并對(duì)比螺栓的vonMises應(yīng)力,分析結(jié)果如圖4所示。
螺栓預(yù)緊力為54000N時(shí),螺栓的最大應(yīng)力為367MPa,低于材料的抗拉強(qiáng)度,螺栓滿足強(qiáng)度要求。
螺栓預(yù)緊力為5400N時(shí),螺栓的最大應(yīng)力達(dá)到795MPa,應(yīng)力集中明顯,容易引起疲勞破壞。
因此預(yù)緊力不足,會(huì)引起安裝件的相對(duì)錯(cuò)位和晃動(dòng),進(jìn)而引起螺栓應(yīng)力集中,造成螺栓在工作中剪斷,如圖5所示。
由圖5可以看出,有限元分析結(jié)果與實(shí)際斷裂位置較為吻合,該分析方法可以有效驗(yàn)證螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。
3 結(jié)論
(1)建立了螺栓裝配總成的有限元模型,通過(guò)有限元仿真分析了預(yù)緊力大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響,并與實(shí)際失效件對(duì)比,結(jié)果表明有限元分析結(jié)果與實(shí)際較為吻合,進(jìn)而驗(yàn)證了有限元模型及邊界條件的合理性。
(2)當(dāng)螺栓預(yù)緊力不足時(shí),螺栓應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度,發(fā)生破壞;因此,在實(shí)際工作中,足夠的預(yù)緊力時(shí)保證螺栓裝配件穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。
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