柔性薄板件装配变形仿真

聂闯

摘 要：为了研究薄板件在螺栓装配时的变形情况，通过有限元分析软件ANSYS对薄板件结构进行建模，考虑结构自重，模拟螺栓拧紧过程，对薄板件造成的变形进行静力学分析，得到了装配力引起的薄板件变形及造成的应力分布，根据仿真结果调整机箱装配方案，提高了机箱结构在实际工程中的精确度与可靠性。

关键词：机箱结构；预紧力；ANSYS仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.196

1 引言

薄板件是现代工业工程中常见的结构，比如大小型机箱、飞机机身以及汽车覆盖件等，其装配精度是反应产品或结构质量的重要指标。薄板件有着重量轻、加工量小及易剪裁等优点，但是其横向抗弯能力差，厚度小，受力时易出现变形等问题也是工程中亟待解决的问题。有研究对铝合金矩形机箱的组装进行改进，通过选用表面定位方式，提高其表面及机箱结构的完整性。还有学者分析了薄板件装配时的误差来源，并采用状态空间法建立了多工位误差传递模型，以汽车地板薄板件为例，验证了该方法的有效性。当薄板件采用螺栓连接时，螺栓预紧力的施加及螺栓的安装顺序都会使得薄板件发生不同的变形。本文通过建立某型号机箱的有限元模型，并模拟螺栓拧紧过程，通过仿真计算得到不同的螺栓安装方案对薄板件的变形作用，并得出使得薄板件变形最小的螺栓安装方案。以仿真结果作为实际安装工程的指导，有效提高薄板件的螺栓装配精度与可靠性。

2 机箱结构建模

ANSYS软件是一款综合性的有限元分析软件，其细化为非常多的专业模块。在进行静力学分析时，ansys建模方便，网格划分准确，计算结果精确，操作方便。本文通过对机箱结构进行静力学分析得到因螺栓预紧力造成的机箱薄板件在装配时的表面变形、应力分布等。本文的机箱结构是由铝合金组成，厚度为3mm，尺寸为600mm*400mm，连接方式包括焊接、铆接和螺栓连接，在机箱每个面的边缘各有4个螺栓。但在建模时为了减少计算量，忽略焊接点、铆接的集中应力影响。根据实际模型建立仿真模型，单元类型选择shell，材料选择铝合金，密度为2700kg/m3，屈服强度为72000Gpa，泊松比为0.3，划分网格时采用映射网格划分法，由于shell单元划分网格时比较简单，可直接在ANSYS软件中meshtool工具栏中设置网格单元大小或单元个数，并且施加全约束。重力通过设置重力加速度来实现，重力加速度在defineloads工具栏中设置。螺栓预紧力的施加方法有直接法、降温法和渗透法等，本文选用降温法。降温法的基本思想是：把初载荷换算成对应的温度载荷加载的螺栓杆上。假定螺栓最初安装的联接件上不产生预紧力，当螺栓上作用有负的温度载荷（假定初始温度为0）其他构件温度不变，这时螺栓必然收缩，螺栓必然受到一个拉力阻止其自由收缩，而被联接件则受到压力作用。通过换算使温度载荷等效于螺栓上施加的初载荷，便可以模拟预紧力。

3 仿真计算

本文研究机箱某一面的薄板，在螺栓采取不同的顺序拧紧及不同的螺栓预紧力施加方法时，薄板的变形情况。设置好各种参数后，利用ansys中分析计算模块，进行分析计算，并在后处理模块中查看仿真结果。查看结果得到当薄板的螺栓同时拧紧时，薄板的变形位移的均方根值最小，表面最平整；最大应力为293Mpa，，最小应力为46Mpa，均方根值为0.16mm。当螺栓预紧力分为三步加载时，薄板的变形比一次拧紧螺栓时有明显改善，其均方根值分别为0.158mm和0.254mm。說明薄板件在使用螺栓装配时，螺栓的装配方案会影响其表面精度；同时拧紧螺栓及螺栓预紧力分布加载都可以减小薄板的变形。

4 结论

本文通过仿真不同的螺栓分布及螺栓直径的钢板连接变形，对比实验数据发现：

（1）在相同的螺栓预紧力施加方法下，螺栓拧紧顺序会影响薄板件变形，同时拧紧螺栓变形最小；

（2）螺栓拧紧顺序相同时，预紧力分步加载会减小薄板件变形；

（3）在进行仿真分析时，薄板件板结构只受到螺栓预紧力和重力的影响，未考虑热变形与振动，有待进一步研究。

参考文献：

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