紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究

王建国（济南鑫光试验机制造有限公司,济南　250214）

紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究

王建国
（济南鑫光试验机制造有限公司,济南250214）

为简化传统力学对螺栓进行强度校核的计算过程，提高计算结果的直观性，采用了一种螺栓的有限元ANSYS的简化模拟分析，为了验证有限元简化模拟分析的准确性，利用传统力学的解析法对螺栓的强度进行校核，结果发现，此螺栓的有限元简化模型的模拟仿真结果与理论计算结果保持一致，说明对于螺栓强度的校核，此简化方法是有效的，对于工程应用具有重要的借鉴意义。

螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真

0　引言

螺栓连接具有结构简单，调整简便，可反复拆卸等优点，是目前最为常用的工程结构的连接方式。但是在复杂的工程应用过程中，由于交变载荷的作用，在振动、冲击等干扰因素作用下，往往对螺栓产生严重的破坏，螺栓的强度将直接关系到设备的正常使用及使用的安全性[1]。与运用经典的理论力学相关知识对螺栓的强度进行校核相比，主要借助于理论分析，通过经验公式等进行校核计算，在计算过程中，对螺栓的整体受力情况及受力位置等考虑并不全面，此外，并不能完全的显示各个位置的受力状况，不能很好地用于指导实践。通过有限元分析软件，可以轻松的分析整个螺栓的受力状况，计算结果更加直观地展现，而且计算工作量大大降低，因此，有限元软件越来越多的被应用到螺栓的校核中[2-4]。

1　螺栓连接的失效机理分析

螺栓连接所受的载荷包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等，其受载形式主要为轴向力与横向力。在轴向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范围，螺栓杆将会产生塑性变形甚至将断裂；在横向力的作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或者螺栓杆被剪断等。

本研究主要对螺栓的强度进行分析，对于受拉力载荷的连接螺栓来说，发生破坏的位置主要在于螺纹的小径位置，对于这种螺纹连接，其主要的设计准则为保证螺栓具有足够的静力强度。螺栓连接中，最为常见的受理方式为预紧力与工作拉力同时存在的情况，螺栓在轴向拉力作用下，螺栓跟连接件都会产生弹性变形，因此，螺栓所受到的总拉力并不是预紧力跟工作拉力之和。根据力学知识，螺栓的总拉力跟预紧力跟工作拉力有关以外，还会受螺栓以及连接件的刚度等因素相关[5-6]。

2　承受预紧力和工作载荷的紧螺栓的理论强度校核

承受预紧力和工作载荷的紧螺栓，螺栓所受到的总拉力并不是预紧力跟工作拉力之和，而等于残余预紧力和工作拉力之和。而残余预紧力与预紧力又存在如下关系：

式中：

物理模型描述：采用性能等级4.6级的M6普通螺栓，采用金属垫片对两连接件进行连接，假定预紧力F0=5000N，所受的工作拉力F=1000N，试校核螺栓的强度。

在上述物理模型的描述中可得，螺栓的相对刚度可取0.2～0.3，此处取0.25，将相关数据，带入式3可得螺栓所受的总拉力为F2=5250N，鉴于螺栓在轴向力作用下需要进行拧紧补充，同时考虑到转切应力的影响，故需要将轴向总力提高30%，因此，螺栓的危险截面的拉伸强度为：

将相关数据带入式3可得，σca=239Mpa＜[σ]=240Mpa，可得螺栓强度满足使用要求。

3　承受预紧力和工作载荷的紧螺栓的有限元分析

根据上述的物理模型，进行有限元建模，建立有限元螺栓模型并对其进行网格划分。

在有限元进行分析的过程中，采用螺栓的实体连接存在计算量大、计算不收敛等问题，对螺栓连接进行简化，由于结构形状和载荷存在对称性，为降低计算量，使计算结果显示更加直观，建立1/4模型。采用预紧单元PRETS179，并创建预紧截面命令PSMESH，施加预紧力载荷进行有限元分析。

在预紧截面上施加预紧力F0=5000N以及工作拉力F=1000N，然后进行求解。进行受力分析后，得螺栓的应力云图如下图所示。

从上图螺栓的受力分析可以看出，螺栓的最大应力发生的位置在螺栓连接位置处，螺栓的危险截面的最大应为236Mpa，跟前文的理论分析结果239MPa相吻合，说明此螺栓连接的有限元简化模型合理。采用有限元分析的方法，可以大大降低螺栓强度校核计算量，而且可以更加直观地显示危险位置所在的位置，为下一步的理论分析及解决方案的确立提供参考。

4　结论

由上分析可知，对螺栓进行强度校核时，可以采用有限元的预紧单元PRETS179进行仿真模拟。跟传统的理论公式的推导相比，细节处的节点载荷有差异，但不影响整体结果的正确性，而且计算结果更加直观，为综合分析提供更加准确而全面地分析。对于机载设备装配体中螺栓连接，此方法更具有实用的工程价值，对于螺栓的布置方式、螺栓的选型设计，也具有一定的参考意义。

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[3]吴正佳,周进,任芬芬,张成.杜义贤基于Pro/E Mechanica的带螺栓多约束组件结构分析与优化设计[J].煤矿机械,2010.

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