连接件栓焊结合面动态特性因素仿真分析

王 媛 易 鑫 姜稀膑

（1.烟台生产力促进中心，烟台264000；2.烟台大学 机电汽车工程学院，烟台264000）

当机械结构连接刚度要求较高时，多采用焊缝连接和高强度螺栓连接，作为最普遍的并用连接形式，栓焊并用连接越来越受到设计者的重视[1-2]。为了得到准确的栓焊结合面数据，有必要研究栓焊结合面动态特性的影响因素。

对接式栓焊结合面中，影响栓焊结合面的影响因素有螺栓个数、螺栓预紧力、螺栓失效、焊缝失效、布局形式、表面的粗糙度、接触之间的介质以及接触状态等[3-5]。针对栓焊结合面应用方式，本文主要研究螺栓预紧力和螺栓个数对结合面动态特性的影响。

1 栓焊结合面模型建立

1.1 栓焊连接件模型建立

首先建立对接式栓焊连接件模型，每个连接件采用两个200mm×200mm的板材连接而成，材料为Q345，两个连接件采用先栓后焊的方式进行连接，结合面尺寸是200mm×200mm，两板由4个M6的螺栓连接，单个螺栓预紧力矩8N·m，焊条材料为E5015。在SOLLIDWORKS中建立对接式栓焊连接件的模型，如图1所示。

1.2 栓焊结合面模型建立

焊缝建模时，在Workbench中导入模型后，设置焊缝材料为E5015焊条，设置焊条参数。按上述结合面的建模方法建立栓焊结合面模型，如图2所示。

图1 栓焊连接件模型

图2 栓焊结合面模型

2 栓焊连接件动态特性分析

2.1 预紧力对结合面动态特性的影响

根据《紧固件国家标准》（Q/STB12.521.5-2000）可知，M6螺栓的螺栓等级为12.9，能承受的最大预紧力矩为20N·m。因此，设置预紧力分别为5N·m、10N·m、15N·m、20N·m时进行仿真试验，由仿真结果得出四种预紧力振型基本一致，结果如表1所示。

由表1固有频率可知，随着螺栓预紧力的增加，栓焊连接件的固有频率会增加，但对螺栓结合面的影响不是特别明显。

表1 有限元仿真固有频率对比

2.2 螺栓个数对栓焊结合面的影响

根据《钢结构高强度螺栓技术规程2011》，螺栓间距L应满足：

修正螺栓极限作用半径为：

焊接结合面的尺寸为200mm×200mm，因此保证螺栓不相互干涉的螺栓最大个数为25个。设置结合面螺栓个数为4个、9个、16个、25个，分别进行有限元仿真分析，结果如表2所示。

表2 不同螺栓个数固有频率对比

由仿真结果可以得出，在大于修正螺栓极限作用半径范围时，螺栓数目越多，连接件固有频率越大，栓焊连接件的刚性越好。

3 结语

本文运用三维建模软件SOLLIDWORKS和有限元软件ANSYSWB，对对接式栓焊并用连接件进行有限元建模，分别改变螺栓预紧力、螺栓个数参数设置，进行动态特性仿真。结果表明，在螺栓所能承受预紧力范围内，螺栓预紧力越大，连接件固有频率越高，机械结构刚性越好；在大于螺栓极限作用半径时，螺栓间距越接近极限作用半径，连接件固有频率越高，机械结构刚性越好。分析影响结合面动态特性的因素，对对接式栓焊并用连接件的应用具有一定的参考价值，节省了样机试制耗费的时间、材料和管理成本，缩短了项目的研发周期。