浅析预紧力对螺栓强度的影响

闫琳 任娜 康建伟 李少敏

摘 要：文章建立了螺栓装配总成的有限元模型，通过有限元分析，浅析预紧力大小对螺栓强度的影响，并与实际失效件进行对比，结果表明螺栓预紧力不足，容易引发断裂故障。

关键词：预紧力；有限元分析；螺栓强度

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-98-02

Abstract： An finite element analysis is made to show the relationship between pretension and strength of bolt. Research has revealed that pre-tension force directly affects the bolt strength， and bolt will be broken in service with less pretension force.

Keywords： Pretension force； finite element analysis； bolt strength

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-98-02

前言

螺栓连接结构易于组装和拆卸，因此在机械结构中得到广泛应用。安装螺栓时，必须拧紧螺栓接头，使连接件在螺栓拉伸时被压缩，作用于螺栓的预加力称为预紧力[1]。预紧的目的是加强连接的可靠性和紧凑性[2]。在装配过程中，选取合理的预紧力是保证装配件长时间稳定工作的必要条件[3]。

空气悬架系统，减振器通常采用螺栓安装在气囊托架上。某载货车在运行过程中，该处螺栓发生断裂，造成悬架系统无法正常工作。

本文采用Hypermesh软件建立相关有限元模型，并模拟实际情况，对模型进行约束及边界条件加载，通过有限元仿真，分析了预紧力的大小对螺栓强度的影响。

1 预紧力及限位力选取

减振器下安装点通过螺栓、螺母安装在气囊托架上，如图1所示，根据设计要求，该螺栓的预紧力为54000N。在螺栓的实际安装及使用过程中，可能存在预紧力不足或衰减的情况，因此本文采用两种工况，分别对螺栓加载54000N和5400N的预紧力，来进行对比分析。

当悬架系统下跳至减振器限位时，该螺栓受到35000N的剪切力。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

评估螺栓强度，需要考虑螺栓预紧力、螺栓螺母和连接件之间的相对运动，因此螺栓、螺母采用实体单元建立详细的网格模型，如图2所示。

2.2 模型材料参数

模型中，螺栓材料为40Cr，材料参数如表1。

2.3 边界条件

在减振器下安装点加载向下的冲击力，在螺栓上加载预紧力，螺栓和垫片、螺母之间建立接触，约束气囊托架，如图3所示。

2.4 分析结果

分别对螺栓加载54000N和5400N的预紧力，并对比螺栓的vonMises应力，分析结果如图4所示。

螺栓预紧力为54000N时，螺栓的最大应力为367MPa，低于材料的抗拉强度，螺栓满足强度要求。

螺栓预紧力为5400N时，螺栓的最大应力达到795MPa，应力集中明显，容易引起疲劳破坏。

因此预紧力不足，会引起安装件的相对错位和晃动，进而引起螺栓应力集中，造成螺栓在工作中剪断，如图5所示。

由图5可以看出，有限元分析结果与实际断裂位置较为吻合，该分析方法可以有效验证螺栓预紧力对螺栓强度的影响。

3 结论

（1）建立了螺栓装配总成的有限元模型，通过有限元仿真分析了预紧力大小对螺栓强度的影响，并与实际失效件对比，结果表明有限元分析结果与实际较为吻合，进而验证了有限元模型及边界条件的合理性。

（2）当螺栓预紧力不足时，螺栓应力超过材料抗拉强度，发生破坏；因此，在实际工作中，足够的预紧力时保证螺栓装配件稳定运行的必要条件。

参考文献

[1] Yu Q，H Zhou，L Wang.Finite element analysis of relationship between tightenmg torque and initial load of bolted connections[J].Advances in Mechanical Engineering，2015：7（5）.

[2] 王名月.缪炳荣等.某称重仪传感器螺栓连接预紧力分析及优化.木.2017（1）：22～26.

[3] 赵峰，罗峰.螺栓預紧力的选用和螺栓规格的规范设计.[J]汽车实用技术.2016（9）：236～250.