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        基于ANSYS的螺栓聯接有限元分析

        發布于:2021-04-09 20:02
        有限元分析

               在螺紋聯接中,對于單個標準螺紋緊固件的選型設計以及規則布置且受力(矩)對稱的螺栓組設計,其選型和計算都有明確的規則,設計方法較為成熟。但由于結構限制,對于某些場合所選用的非標準螺紋緊固件的設計、或者對于受力復雜且非對稱分布的螺栓組中螺栓的設計,缺乏有效的計算規則。實際應用中,由于設計不合理導致連接失效而造成重大損失的事故屢有報道。有限元分析技術的發展,使復雜結構的應力計算成為可能,其分析結果真實可靠,成為工程分析的重要手段之一。
               在螺栓聯接方面,傅駿等人對螺栓的不同材質進行研究分析,歸正等人對高強度螺栓使用中的長度進行了研究,趙曼等人研究了如何提高螺栓抗拉疲勞性能,李波等人對螺紋三維模型的有限元分析進行了探索。這些研究為探索螺栓聯接提供了很好的思路,但傳統的設計方法需要大量的實驗作為依據,并且很多規律都是概括性的總結,對于螺栓螺紋牙各部位應力、螺栓內部應力等情況分析較少。有限元技術的發展為定量分析螺紋內部應力提供了條件。在通常的有限元分析中,一般采用的方法是將螺栓簡化為軸對稱,建立二維有限元模型進行分析,即使是建立三維模型也是忽略了螺紋的細節部分,在一些特殊的分析情況下,這樣會大大降低分析的精度。本文基于ANSYS workbench模塊,結合傳統設計方法,通過三維有限元分析方法研究了螺栓結構、旋合長度以及預緊力對螺栓強度的影響,并應用于工程實例分析中。
               本文將某型號自動扶梯驅動機座所采用的非標準螺栓作為分析對象,經現場考察,該螺栓頭采用盲孔攻絲結構的非標準設計,與螺桿形成可拆式聯結,如圖。螺紋采用8.8級M20標準粗牙螺紋,其T形頭幾何尺寸為:23mm×64mm×15mm,盲孔底部為平面結構,懸合深度為12mm。
               對非標結構螺栓頭部分的靜強度加以分析,作為對比,給出了國標T形頭螺栓和另一種改進型螺栓。一般而言,螺栓聯接的分析重點主要集中在螺紋聯接處,懸合部位螺桿相對于螺母更薄弱,因此必須充分保證分析中螺紋接觸處的真實準確性。為此,通過在Pro/E中進行精確的三維建模,保證模型符合實際情況。三種螺栓的螺紋均為M20標準粗牙螺紋,除了螺栓T形頭的結構,其他結構參數均相同。第一種為分體結構螺栓頭,采用盲孔攻絲設計,與螺桿形成可拆式聯結;第二種為國家標準T形頭螺栓(GB/T37);第三種是整體鍛造型結構,螺栓頭與螺桿采用一體式設計。其中第一、三種的建模數據均取自實物測繪,第二種三維模型的數據取自設計手冊。
               設定三種螺栓的工作環境相同:螺栓擰緊在兩塊板上,其中下板厚度14.5mm,下底板為24mm,其中兩塊板都開有一個寬度為22mm的長方型槽。按照上述參數在Pro/E中完成各模型并裝配后以“*.IGS”格式導入到ANSYS workbench模塊。
               有限元分析設置如下:(1)材料屬性設置:這里三種螺栓的彈性模量、泊松比、密度等都采用45號鋼的參數,底板采用16Mn的參數;(2)網格劃分:盡量對比較規則的零件采用了六面體網格劃分,對于螺紋、螺桿、螺母等則采用四面體網格;(3)邊界條件:約束下底板的四個側面,載荷為螺栓預緊力。通過使用模塊自帶的BoltPretension(預緊力)模塊可直接施加預緊力,從而直觀反映螺栓聯接的應力狀況。
               螺栓聯接是通過預緊而產生接觸面的摩擦力來承受各種工作載荷(如軸向載荷、橫向載荷和傾覆力矩等),螺栓本身主要承受軸向載荷。對于非標準結構的螺栓,應研究其結構設計的合理性,考察不同結構對其承載能力的影響。應用前述有限元模型,對三種結構螺栓聯結組件施加相同的預緊力,大小為32589N(計算得出的螺栓組最小預緊力)。在設置完以上各步驟后進行后處理求解,可以得到三種不同結構螺栓的應力云圖。


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