螺栓与法兰连接的接触分析

(山东建筑大学 山东 济南 250100)

一、引言

目前各种研究机构对接触进行研究大多采用两种常用的方法：有限元法以及理论解析法。但是由于理论解析法对于结构进行了一定的简化，对于许多的非线性因素选择了忽略，而法兰盘在工作状态下，螺栓与被紧固零件共同承受交变载荷，尤其是在高压工作状态下的螺栓，同时承受预紧力、压力、扭矩和弯矩的共同作用[1]。因此，在对采用螺栓连接的法兰盘进行设计之初，采用合理的方法进行准确的分析计算，这对于保障设备的安全运行、提高产品的经济性具有重要的意义。

二、法兰盘装配体建模

采用ansys对其建模，为了方便建模分析同时不降低准确性，对模型进行合理简化，考虑到法兰盘整体具备对称性，将法兰盘与管件做成一体，保留法兰盘的内倒角等效应力的集中部位，建立连接部位的实体螺栓模型，为利于观察，建立1/4法兰盘装配体，如图1,所示共有23966个节点，19699个单元。

表1 法兰盘各部位材料参数

三、三维实体模型的参数设置

在保证模拟结果符合计算要求的基础上，尽量减少不必要的计算工作量，主轴联轴螺栓强度和被连接圆盘的接触状态是分析重点，因此对其划分网格之时螺栓单元控制在30mm，而对于法兰盘以及密封盖控制在60mm。螺栓连接结构与法兰盘均采用Solid185六面体实体单元划分，该元素用来模拟 3 维实体，8个节点定义，每个节点 3 个自由度：X、Y、Z方向，具有塑性，超弹性，应力强化，徐变，大变形，大应变能力，可用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形，划分网格后的图形如图1。

四、设置边界条件以及施加载荷

建立螺栓的预紧单元，一般是在螺杆划分单元的基础之上对其施加预紧单元prest179,用该单元模拟螺栓预紧力效果，此种方法的优点在于不需要预先定义，但是为了方便建立以及容易控制预紧单元，本文采用psmesh命令预先定义的方式定义预紧单元。由于螺栓、螺母以及连接构件之间的接触行为属于典型的非线性接触问题，在有限元中采用targe170/targe174模拟这种摩擦接触行为，接触摩擦因数设为0.15，在此基础之上建立接触面，然后在接触面上施加目标单元以及接触单元使非线性迭代收敛。

图1 划分网格后的模型

法兰盘连接结构的螺栓预紧载荷应该使法兰盘的垫片应达到足够的预紧密封比压，计算预紧载荷G为：

其中为垫片预紧力作用中心圆直径；b为垫片有效密封宽度；y为预紧密封比压，本案例中，y=128MPa；为接触面倾斜角；为摩擦角。

五、计算结果及分析

利用载荷工况组合原理，将第二载荷步计算结果与第三载荷步计算结果进行叠加组合。法兰连接部位在螺栓预紧力和最大工作压力载荷共同作用下的计算结果如图3所示。

图3 结构等效应力图

该主轴连轴螺栓的最大等效应力为385.27MPa，发生在法兰盘与筒体连接处的螺栓孔与螺栓头接触面交线处，这是由于孔形状突变所引发的应力集中现象。

对比有限元分析和理论分析结果可知，无论是螺栓的拉应力还是剪应力，有限元分析的结果都要比理论分析值大，这是因为理论分析计算是建立在许多理论假设的基础上进行的，一般认为，各个连接部位螺栓的承载是均匀分配的，所以计算得到的结果趋于保守。利用有限元方法计算剪切应力，能够综合考虑螺栓预紧力和剪切力的作用；而在理论计算时，剪切作用和预紧力是分别考虑的，这就导致理论结果远小于分析结果。因此，应用有限元计算方法得到的结果对指导设计更具有参考价值。

六、结论

本文根据某型号的水轮发电机主轴联轴螺栓进行实体建模，并进行了载荷数据分析，得到的受力结果接近其工作过程中的真实受力情况。最终数据结果表明，利用有限元的方法可以有效的模拟螺栓连接的受力特征，可以得到较为真实的螺栓连接效果，计算结果较为可靠。此外根据计算结果，可以判断其是否安全，同时结合其他影响因素，确定连接部位螺栓的规格以及数量，最终降低产品成本。