基于Ansys Workbench的钢丝螺套接触有限元分析

李 华，顾 强，刘华峰，李 兵

LI Hua1, GU Qiang1, LIU Hua-feng1, LI Bing2

（1.中北大学 机电工程学院，太原 030051；2.中航惠阳航空螺旋桨有限责任公司，保定 072152）

0 引言

随着机械工业的不断发展，其材料的轻量化要求越来越高。在航空航天产品[1]以及近几年国家大力发展的高铁技术[2]中铝合金铜合金等轻型材料应用越来越广，但在材料轻量化的同时也面临着一个严峻的问题，铝合金或铜合金等材料其抗剪切能力相对较差，为考虑其安全性能及拆装方便又不得不采用螺纹连接。综合上述问题，采用钢丝螺套连接。所谓钢丝螺套即用菱形截面的钢丝绕制成的螺旋体。株洲电力机车厂梁洪波在钢丝螺套在电力机车上的应用中提出了三种钢丝螺套的连接方式，包括：直接在母材上连接钢丝螺套；对母材进行局部加强，然后再安装钢丝螺套；采用螺母座安装钢丝螺套。然而，在钢丝螺套的相关报道中大多仅会阐述钢丝螺套的应用及其安装[3]王梅芝在卫星总装中钢丝螺套装配工艺中介绍了钢丝螺套的结构及安装工艺要求。宋志伟[4]在钢丝螺套内螺纹工具的设计和应用中介绍了钢丝螺套的加工。本文源自某型产品在设计过程中出现的问题，由于采用铝合金材料，并且关键部位螺栓需要承受较大轴向预紧力，所以采用18扣钢丝螺套，但目前尚无相关详细数据可以参考。本文利用CATIA对建立CAD模型，采用Ansys Workbench对其进行非线性仿真，得到其螺纹的受力分配情况，为工程应用提供了数据参考。

1 钢丝螺套设计的三维建模及有限元仿真

螺纹牙轴向力的分配情况和螺纹牙间的变形协调情况有关，提高柔度可以改善螺纹牙的受力分配情况，钢丝螺套可以提高螺纹间的柔度，改善螺纹牙的受力。螺纹的变形包括螺纹牙自身弯曲、剪切的变形、螺纹牙根倾斜变形、螺纹牙根剪切变形和径向分力引起的变形。其中以螺纹牙身的剪切、螺纹牙根的剪切和径向分力引起的变形为主。

因为在Ansys中计算螺纹的牙受力分配需要提取接触压力，积分出接触力，需要一定的后处理时间，考虑到轴对称模型计算，只有τzr不为零，并且τzr由轴向力提供，所以在计算初期在螺纹牙中间布置了一系列密集的节点，把螺纹牙当成悬臂梁，用提取螺纹牙中间切向力比例的方法得出螺纹的受力分配情况，这样省去了许多后处理的时间，但是在校对结果时，这种方法得出的受力分配首扣螺纹受力比提取出来的接触力少了10%左右，这是轴对称模型和悬臂梁假设之间的差别，最终没有采用这种方法。

本文属于高度非线性的计算，在保证一定精度的前提下，为了提高效率采用了2D轴对称模型进行计算。根据国内对普通螺纹计算[5,6]的相关论文，2D轴对称模型与3D完整模型的应力误差在2%左右。由于螺纹受力情况受力受螺纹刚度的影响，所以螺距、材料弹性模量，牙型等参数成为了主要影响因素，下文还提到了边界条件对螺纹牙受力的影响，如需得到不同的情况的螺纹受力情况应当分别计算。本文仅以GJB119《普通钢丝螺套》ST24×1.5的钢丝螺套牙型数据，外螺纹为铝基体为例计算不同圈数的钢丝螺套下螺纹的受力情况。

1.1 建立CAD模型并进行仿真

在Workbench DM模块中导入实体，并在Mechanical施加1000N的轴向力，计算在安装钢丝螺套下不同扣数的螺纹受力分配情况。

Workbench以Ansys的计算内核为基础，集成了更智能化的功能。为了提取接触力，将Output Controls中的Contact Miscellaneous和Nodal Forces设置为Yes，每对螺纹之间单独设置Frictionless接触条件，便于以后用Force Reaction功能提取接触力。

图1 CATIA模型

图2 整体网格模型

图3 螺纹处网格

图4 螺纹的应力云图

图5 14扣钢丝螺套不同边界条件下螺纹的受力情况

根据标准数据建立的CAD模型，导入到Workbench中，不考虑摩擦力的影响（frictionless），建立轴对称边界条件，施加微小位移建立接触关系后加预紧力矩产生的轴向载荷。为了有助计算收敛在，减小穿透值对计算结果的影响，增加螺纹牙的微小圆角特征，并在螺纹接触处加密网格。模型用增广拉格朗日方法表达接触关系，直接法求解即采用稀疏矩阵直接求解器（Sparse Director Solver），分成10个载荷步进行求解。实体如图1所示，网格模型如图2所示，螺纹处的网格如图3所示。加入钢丝螺套的螺纹受力分布如图4所示。同时本文对14扣钢丝螺套不同边界条件下螺纹的受力情况进行了分析，如图5所示。

1.2 计算结果

本文采用扩展拉格朗日乘子法，允许的穿透值设置为1×10-8数量级。在计算过程中采用了不同的边界条件，得出的结果有细微的差别。1）当螺纹旋合长度等于基体厚度时，螺纹各圈受力随着圈数的增加，逐步下降，如图6所示。2）当螺纹旋合长度小于基体厚度时，最后几扣的螺纹受力略有增加，同时第一圈的受力比例略有降低，10%左右；3）当约束外螺纹边界的法向位移式，第一圈的受力比例也略有降低，10%左右，如图7所示。同时中间各圈螺纹受力有趋于平均的趋势；螺纹旋合长度小于基体厚度的情况符合大多数的工程情况，所以最后选取了这种情况作为对比。

经过计算得出了此例中安装钢丝螺套下的螺纹轴向受力情况，后几圈螺纹受力增加的情况是因为附加弯矩的存在，导致基体弯曲变形，使后几圈的螺纹贴合得更紧密。

图6 安装不同圈数钢丝螺套的螺纹受力情况

图7 不同圈数钢丝螺套的第一扣受力情况

随着钢丝螺套圈数的增加，螺纹牙的最大轴向力的比例也有明显下降。外螺纹的边界条件对受力一定影响，所以在螺纹孔布置较密集处应该组合计算。

2 对static structural进行分析

根据计算，加入钢丝螺套后螺纹的轴向受力分配情况远好于普通螺纹连接的受力分布，其中第一扣螺纹承受了近15.6%的总载荷。这是由于钢丝螺套增加了连接柔度，提高了轴向力的传递效率，所以会改善螺纹牙的轴向受力分配情况，并且由于柔性的增加螺纹的扣数对第一扣螺纹的受力会有一定影响，所以18扣螺纹钢丝螺套的第一扣受力应小于6扣钢丝螺套的第一扣受力，计算结果符合结构的受力特点。

3 结束语

本文采用Ansys Workbench软件对直径为φ24，18扣钢丝螺套进行有限元模拟仿真，获得了其在加入钢丝螺套后的螺纹应力分布。为钢丝螺套在工程中的实际应用提供了一定的参考依据。加入18扣钢丝螺的第一扣螺纹牙受力与6扣钢丝螺套的第一扣螺纹牙受力的相比有15%左右的提高，也可作为一些工程中应用其它扣数的钢丝螺套的参考。国内关于螺纹的有限元仿真大多停留在螺纹连接尤其为普通螺纹连接的结构模态分析领域[7],而本文对钢丝螺套的非线性接触仿真填补了国内关于钢丝螺套非线性接触有限元仿真的空白。

[1]王梅芝. 卫星总装中钢丝螺套装配工艺[J]. 航天器环境工程ISTIC 2008, 25(6): 598-600.

[2]梁洪波, 袁顺. 钢丝螺套技术在电力机车上的应用[J]. 电力机车与城规车辆, 2005, 28(2): 37-38.

[3]石海明. 钢丝螺套的应用及其安装[J]. 零部件产品与质量.

[4]宋志伟. 钢丝螺套内螺纹工具的设计与应用[J]. 新工艺新技术新设备.

[5]周芝婷, 冯建芬, 谷春笑. 基于ABAQUS螺栓接头的接触有限元[J]. 金陵科技学院学报, 2008, 24(4): 9-12.

[6]夏卫铭, 郑翔, 杨晓俊. 基于Ansys的盲孔螺栓连接的有限元仿真[J]. 机械设计与制造, 2009,(7): 42-44.

[7]高旭, 曾国英, 李婷婷. 基于Ansys的螺纹连接法兰结构模态分析[J]. 重庆科技学院学报, 2009, 11(5): 145-147.