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基于ANSYS的螺栓联接有限元分析

发布于:2021-04-09 20:02
有限元分析

       在螺纹联接中,对于单个标准螺纹紧固件的选型设计以及规则布置且受力(矩)对称的螺栓组设计,其选型和计算都有明确的规则,设计方法较为成熟。但由于结构限制,对于某些场合所选用的非标准螺纹紧固件的设计、或者对于受力复杂且非对称分布的螺栓组中螺栓的设计,缺乏有效的计算规则。实际应用中,由于设计不合理导致连接失效而造成重大损失的事故屡有报道。有限元分析技术的发展,使复杂结构的应力计算成为可能,其分析结果真实可靠,成为工程分析的重要手段之一。
       在螺栓联接方面,傅骏等人对螺栓的不同材质进行研究分析,归正等人对高强度螺栓使用中的长度进行了研究,赵曼等人研究了如何提高螺栓抗拉疲劳性能,李波等人对螺纹三维模型的有限元分析进行了探索。这些研究为探索螺栓联接提供了很好的思路,但传统的设计方法需要大量的实验作为依据,并且很多规律都是概括性的总结,对于螺栓螺纹牙各部位应力、螺栓内部应力等情况分析较少。有限元技术的发展为定量分析螺纹内部应力提供了条件。在通常的有限元分析中,一般采用的方法是将螺栓简化为轴对称,建立二维有限元模型进行分析,即使是建立三维模型也是忽略了螺纹的细节部分,在一些特殊的分析情况下,这样会大大降低分析的精度。本文基于ANSYS workbench模块,结合传统设计方法,通过三维有限元分析方法研究了螺栓结构、旋合长度以及预紧力对螺栓强度的影响,并应用于工程实例分析中。
       本文将某型号自动扶梯驱动机座所采用的非标准螺栓作为分析对象,经现场考察,该螺栓头采用盲孔攻丝结构的非标准设计,与螺杆形成可拆式联结,如图。螺纹采用8.8级M20标准粗牙螺纹,其T形头几何尺寸为:23mm×64mm×15mm,盲孔底部为平面结构,悬合深度为12mm。
       对非标结构螺栓头部分的静强度加以分析,作为对比,给出了国标T形头螺栓和另一种改进型螺栓。一般而言,螺栓联接的分析重点主要集中在螺纹联接处,悬合部位螺杆相对于螺母更薄弱,因此必须充分保证分析中螺纹接触处的真实准确性。为此,通过在Pro/E中进行精确的三维建模,保证模型符合实际情况。三种螺栓的螺纹均为M20标准粗牙螺纹,除了螺栓T形头的结构,其他结构参数均相同。第一种为分体结构螺栓头,采用盲孔攻丝设计,与螺杆形成可拆式联结;第二种为国家标准T形头螺栓(GB/T37);第三种是整体锻造型结构,螺栓头与螺杆采用一体式设计。其中第一、三种的建模数据均取自实物测绘,第二种三维模型的数据取自设计手册。
       设定三种螺栓的工作环境相同:螺栓拧紧在两块板上,其中下板厚度14.5mm,下底板为24mm,其中两块板都开有一个宽度为22mm的长方型槽。按照上述参数在Pro/E中完成各模型并装配后以“*.IGS”格式导入到ANSYS workbench模块。
       有限元分析设置如下:(1)材料属性设置:这里三种螺栓的弹性模量、泊松比、密度等都采用45号钢的参数,底板采用16Mn的参数;(2)网格划分:尽量对比较规则的零件采用了六面体网格划分,对于螺纹、螺杆、螺母等则采用四面体网格;(3)边界条件:约束下底板的四个侧面,载荷为螺栓预紧力。通过使用模块自带的BoltPretension(预紧力)模块可直接施加预紧力,从而直观反映螺栓联接的应力状况。
       螺栓联接是通过预紧而产生接触面的摩擦力来承受各种工作载荷(如轴向载荷、横向载荷和倾覆力矩等),螺栓本身主要承受轴向载荷。对于非标准结构的螺栓,应研究其结构设计的合理性,考察不同结构对其承载能力的影响。应用前述有限元模型,对三种结构螺栓联结组件施加相同的预紧力,大小为32589N(计算得出的螺栓组最小预紧力)。在设置完以上各步骤后进行后处理求解,可以得到三种不同结构螺栓的应力云图。


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