船舶轴系用液压紧配螺栓连接结构的有限元分析

1 引 言

由于液压紧配螺栓连接具有安装、拆卸简便和省时等优点，在造船和电站开始得到广泛应用[1]。液压紧配螺栓属于一种新型高强度螺栓，不仅具备普通螺栓连接件的作用，更具有高强度螺栓的抗剪能力。但是目前液压紧配螺栓尚未作为标准件来选用，使用时多为单件设计或者直接引进国内外成品。在实际应用中，液压紧配螺栓安装和拆卸主要靠高压泵油来完成，装拆的情况对液压紧配螺栓系统的应力有较大影响，如工作过程的抗疲劳、抗剪能力等。

ANSYS软件有着非常强大的接触功能，可以通过接触单元来模拟物体之间的接触、过盈和滑动等边界条件,本文全部采用面—面接触模拟接触状态[2]。在使用ANSYS软件模拟液压紧配螺栓实际应力和变形情况时，通常考虑3个方面的工况：一是安装完成状态，船舶轴系法兰用螺栓通常为铰制孔螺栓，预紧应力通常只有屈服强度的10%～20%，这对液压紧配螺栓显然是不够的，完全没有发挥其高强度的作用，所以预紧力施加是一个非常关键的问题；二是工作状态，在此工况下液压紧配螺栓要承受较大的扭矩，这使锥套在法兰连接面处承受的剪切应力很大，是一个危险工况，所以需要分析整体结构受载后的应力和变形情况；三是拆卸状态，由于液压紧配螺栓在拆卸时需要高于安装时的油压10%左右，所以此时锥套的应力状态也非常危险，故需对锥套应力和变形进行模拟考察，以确保拆卸后液压紧配螺栓和锥套的正常使用。针对实际问题，本文应用有限元软件ANSYS对液压紧配螺栓进行三维实体模拟，研究其3种不同工况下，螺栓杆、锥套和法兰毂的应力情况，为实际应用提供一种理论参考。

2 简化有限元模型

船舶轴系法兰系统比较复杂，必须对三维实体模型进行简化处理,简化如下：

1) 由于法兰盘是一个轴对称图形，且传动轴上传递的扭矩可以简化到法兰盘上模拟计算，所以可以忽略轴系的影响,仅取1/10模型计算即可，如图1所示。

2) 由于需要模拟法兰传扭的工作状态，故必须做出完整的液压紧配螺栓，而对于螺纹部分则可简化成直圈型螺纹，此方法最接近于真实状态[3]，如图2所示。

3) 过盈联接是在孔和杆配合尺寸发生干涉的情况下实现的，由于液压紧配螺栓结构特殊，锥套内表面和螺栓杆之间带有锥度过盈，外表面和法兰孔还需要有间隙配合，这就导致了在建模时不能正确地反应两表面的过盈量，为了模拟实际装配的效果，彼此挤压后产生理想的变形情况，可设置接触表面平移使之产生相应的过盈量和间隙量，然后可以开始求解[4]。

图1 液压紧配螺栓联接系统实体模型

图2 液压紧配螺栓有限元模型

4) 由于液压紧配螺栓结构的特殊性，施加预紧力单元的位置非常关键，不能以常规方法施加，本文将预紧力单元施加于退刀槽处，如图3所示。

图3 预紧力单元位置图

建模过程中，根据各部件需求精度不同分别采用8节点SOLID185单元和20节点SOLID95单元进行。尤其在螺栓和螺母螺纹配合处，采用了ANSYS中的装配技术[5，6]，保证了两个螺纹能很好地啮合。模型总共包含138 891个节点，194 887个单元。

3 材料特性

液压紧配螺栓和锥套材料均经过表面强化处理，材料特性见表1。

表1 材料性能

4 边界和载荷工况

本文重点研究液压紧配螺栓在3种工况下的应力和应变，通过过盈量来模拟油压安装的情况，通过PRE179单元来直接模拟螺栓的预紧力作用。当模拟非工作状态时，法兰的内部由于连接着传动轴故可全约束，另外由于轴对称特性在两侧面需要加上轴对称约束，在中间锥套需要在一端加上Z方向约束，另一端自由，否则不收敛。根据力学知识[7]可知，这样对中间锥套总体应力影响不大，其原因是在使用ANSYS软件模拟的过程中，如果仅仅靠接触来施加约束时，必须保证物体正好接触，否则会出现错误，将无法模拟安装好后的状态；当模拟工作状态时，由于有扭矩的作用，必须放开对称约束，在连接主动轴上的法兰内半径处节点上施加X轴约束和相应的扭矩，锥套处由于有扭矩直接作用其上，故不需要约束[8]。3种工况边界载荷和约束见表2。

表2 模拟边界条件

5 液压紧配螺栓有限元仿真结果

5.1 安装后液压紧配螺栓应力云图分布

通过有限元模拟螺栓安装状态结果分析可知：

1) 由于螺栓、法兰系统是一个对称系统，由图4可以看出对称部件综合应力分布较为均匀，最大综合应力出现在螺纹牙配合处，最大综合应力达到629.435 MPa。

图4 整体综合应力分布

图5 中间锥套综合应力分布

2) 从图5中可以看出，最大综合应力发生在锥套的小端面处，不在边缘端面处。分析其主要原因有：一是由于锥度的影响，当施加预紧力时，锥套随着液压紧配螺栓一起运动，与实际情况一致；二是由于在锥套外表面开设了按孔，使锥套端面应力分布得到一定的改善，故锥套上最大综合应力245.327 MPa产生在靠近锥套小端处。

此外由表3可知，模拟数值接近理论值[9]，误差在允许的范围内。

表3 有限元模拟值与理论值对比

3) 液压紧配螺栓杆应力分布和位移变形如图6和图9所示。由图可以看出应力分布呈小端向大端逐渐减小。由于锥度的影响，此时应力趋势变化过程在理论计算中是无法得出的。由于螺栓杆开设油沟形成局部尖角，故应力集中的情况不可避免。液压紧配螺栓在预紧力作用下，产生一定的伸长量，但由于液压紧配螺栓预紧单元位置的特殊性，使得模拟位移量时受到结构的影响，分析结果产生一定的误差，但是此误差在允许范围内。

4) 螺栓螺纹和螺母螺纹应力分布如图6和图7所示，配合螺纹牙之间应力分布符合实际情况，由图中看出在受预紧力的作用下，最大综合应力分布在第一圈和第二圈螺纹牙根部，故螺纹模拟正确。

5) 螺母和法兰贴合表面应力分布如图8所示，由于是对称结构，故对称部分螺母和法兰应力相近。如图7所示，螺母开设旋转孔处厚度较小，拐角处存在应力集中，故需对孔进行工艺处理来降低应力，或者提高螺母自身材料强度来满足规范要求。

图6 螺母螺纹综合应力分布

图7 法兰综合应力分布

图8 液压紧配螺栓综合应力分布

图9 预紧力作用方向位移图

5.2 液压紧配螺栓受剪有限元分析

通过有限元模拟螺栓工作状态结果分析可知：

1) 整个系统在传递扭矩的状态下，应力分布如图10所示，传递扭矩时螺栓螺母螺纹系统应力重新分布，最大应力还是出现在螺纹牙处,达到682.238 MPa。

2) 液压紧配螺栓和锥套在受剪后应力分布如图11和图12所示，传递扭矩时锥套最大应力389.08 MPa出现在锥套中部(两法兰贴合处)，在锥套上其余部分表现为挤压。受剪变形如图15所示，在中部法兰贴合面，锥套产生明显的剪切变形。

两法兰在受扭矩作用时，剪应力分布如图13和图14所示。最大剪应力均出现在法兰孔45°方向，齿轮箱输出法兰最大剪应力为245.718 MPa，经过接触面后传递到中间轴法兰最大剪应力为238.445 MPa，这是由于摩擦力作用，导致剪应力减小。

图10 传递扭矩时系统综合应力分布

图11 传递扭矩时锥套综合应力分布

图12 传递扭矩时螺栓综合应力分布

图13 左端法兰X-Y剪应力分布

图14 右端法兰X-Y剪应力分布

图15 锥套受剪变形(放大20倍)

5.3 拆卸状态液压紧配螺栓应力分布

通过有限元模拟螺栓安装状态结果分析可知：

1) 锥套受内压变形如图16所示，综合应力沿轴向从小锥端向大锥端逐渐递减，此时锥套最大综合应力为334.259 MPa，未超过0.7倍的材料屈服强度。

2) 液压紧配螺栓杆应力分布如图17所示，在螺栓杆体平滑部分处综合应力值约为48.799 MPa，但在导油沟与进油口的交界处和螺旋油沟内表面出现了应力集中现象，综合应力达到219.591 MPa，这是由于结构本身的尖角引起的，所以在工艺加工时这些部分必须进行加工处理。

图16 拆卸时锥套综合应力分布

图17 拆卸时液压紧配螺栓综合应力分布

6 结束语

本文利用有限元软件ANSYS对安装、工作、拆卸3种工况下液压紧配螺栓进行三维实体仿真，得出各部件应力和应变情况，其结果对于确定合理的过盈量及改进加工工艺具有参考意义。由于拆卸过程是一个快速过程，所以仅在拆卸过程应力超过了0.7σs，而其它工况未超过要求时，对锥套的材料性能影响是很小的，故此时的安装参数也是允许使用的。此外，本文还对锥套装配方向进行互换研究，即锥套大端分别安装在主动和被动法兰孔内时的应力分布。研究结果表明：在承受大扭矩的情况下，锥套小端安装在齿轮箱法兰上时，应力在锥套上分布较好。在液压紧配螺栓工作状态时，最大综合应力产生在螺纹牙处，所以螺栓螺纹牙必须经过特殊处理，以满足液压紧配螺栓的性能要求。通过有限元模拟与理论值对比结果可知，有限元模型及分析方法准确、可靠，可用于工程实践。

参考文献:

[1] 黄冰阳，陈奇.舰船轴系用高强度液压紧配螺栓研究的技术进展[J].中国舰船研究，2007,2(2)：75-80.

[2] 小飒工作室.最新经典ANSYS及Workbench教程[M].北京:电子工业出版社，2004.

[3] 博弈创作室.ANSYSY9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4] 陈晓霞.ANSYS7.0高级分析[M].北京:机械工业出版社，2004.

[5] 张卫平.边界处理对螺栓连接结构影响的数值模拟研究[C]∥安世亚太用户年会论文,海南，2006.

[6] 魏延刚,宋亚昕.过盈配合接触边缘效应与应力集中[J].大连铁道学院学报，2003,24(3)：4-8.

[7] 徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社，2005.

[8] 凌道盛，徐兴.非线性有限元及程序[M].杭州:浙江大学出版社，2004.

[9] 黄冰阳.舰船轴系用高强度液压螺栓的性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.