基于ANSYS 的钢筋丝头检测仿真分析

卜燕军 BU Yan-jun；王玉娥 WANG Yu-e

（河北京联机械制造有限公司，衡水 053900）

0 引言

随着国家相继出台去产能化和“双碳”政策，高强钢筋符合绿色发展方向，随着工业科技的迅速发展，国内钢材产品性能尤其是钢筋高强化性能不断提升，逐渐使用400或500MPa 的钢筋，但单个钢筋的长度在很多场合都无法应用，因此钢筋与钢筋之间的连接也尤为重要，其中，螺纹连接是钢筋连接方式中的一种，该连接方式可拆卸固定，具有结构简单、连接可靠等优点[1]，为了验证高强钢筋丝头的可用性，需要用钢筋丝头检测装置对钢筋丝头进行检验，现对装置的通规头与钢筋丝头进行仿真分析，验证其是否满足设计需求，为这款检验装置的正式投入使用做准备。

钢筋与钢筋进行螺纹连接时往往需要用到套筒，而钢筋丝头作为与套筒连接时的核心部位，要对其进行精确的检测，检验丝头是否合格的方法分为两种：接触法和非接触法；接触法包括三针法和螺纹量规测量法；非接触法包括机器视觉、激光扫描等[2]，现场加工的零件都是采用手工抽检的方式来进行检验，这样既费时又费力，随着工作时间的增长，还很可能会出现漏检，在投入使用的时候，会增加安全风险。另外，对钢筋丝头的检测必须要根据钢筋丝头的形状特征来进行，这样才能有效地解决钢筋定位和夹紧过程中出现的轴线偏差问题。因此要基于通止规解决滚压成型丝头检测过程中的螺纹旋入认扣问题，还要解决检测过程中螺纹缺陷问题[3]。

在通止规头运作期间，若遇到不合格的丝头且又受到循环负载的影响，很容易导致通止规头出现疲劳破坏。因此，在用ANSYS 进行通止规头的排布阶段，对钢筋丝头的接触压力与变形的研究具有重要意义，它们直接决定了承压能力及其稳定性。然而，由于涉及到的因素众多且某些因素又相互关联，使得确定通止规接触强度的难度增加。传统的方法是基于弹塑性力学的原理构建数学模型，并通过一系列转换和调整参数来求解最终结果[4]。相比之下，有限元方法因为可以高效、精确且可信赖地处理螺纹与螺纹接触的问题而被广泛使用。特别是在螺纹接触方面，它有效解决了相互作用时所遇到的接触设定难题以及施加给内螺纹的约束条件，从而得出了正确的内螺纹接触应力和应变数据，这有助于进一步优化设计方案或验证其正确性。使用ANSYS 的有限元方法能够准确、快速、直观的反应计算结果，避免了建立复杂的数学模型和实验耗时等问题，是一种较先进的计算方法。国内学者如刘普[5]等已经开始探索如何运用模拟技术来解决钢筋套筒相关的问题，建立了一个钢筋与套筒接触仿真分析的模型，并使用新的接触单元法计算了钢筋载荷位移和接触应力。陈科[6]等通过建立同等边界条件和加载条件下的有限元分析模型及理论数学模型，利用解析法进一步验证本文螺纹副有限元方法的正确性，其次基于相同方法对钢筋直螺纹接头螺纹副承载分布进行ANSYS 有限元建模，分别从接头材料E、接触摩擦系数u 和预紧力Fp 三方面，研究了其承载分布特征及影响规律，可为后续钢筋接头性能的优化设计提供基础。钱冠龙[7]等针对钢筋丝头不顶紧滚轧直螺纹钢筋接头，分别采用3 种规格钢筋、2 种牙型角套筒、3 组螺纹中径尺寸钢筋丝头，对接头残余变形进行试验研究，试验结果表明，当钢筋丝头螺纹中径尺寸超过套筒最大螺纹中径尺寸，且长度超过标准要求的丝头螺纹长度50%时，用其制成过盈配合直螺纹钢筋接头的残余变形才能满足标准要求。

本文以通止规头的转动与钢筋丝头的接触为研究对象，应用SolidWorks 软件建立三维模型，然后导入Workbench 建立多体动力学虚拟样机，运行仿真分析获取检测钢筋丝头时的变形、应力。

1 三维模型的建立

对于钢筋丝头检测装置来说，其结构由三个主要的部分组成：即底座、通止规固定器和钢筋夹持装置。首先，我们需要构建这三个部件的外观模型，遵循从内到外、从小到大依次处理。具体而言，我们可以使用拉伸、切除来创建这些部件的大致形状，通过拔模、抽壳等方式，可以进一步完善内部空间的设计。接下来，运用异形孔向导工具，可以生成相应的螺纹孔；最后根据网上查阅的钢筋丝头的长度，确定通止规检测部件之间的距离。完成上述工作后，我们就能够得到如图1 所示那样的钢筋丝头检测装置的三维模型了。

图1 钢筋丝头检测装置三维模型

现有的合格的钢筋丝头与通止规检测完成时的内部结构简图如图2 所示。本文选择的常用钢筋与套筒的详细参数如表1 所示。通过SolidWorks 软件中零件库Toolbox中调用，再进行装配完成对通止规与钢筋丝头的建模，所绘制的三维图如图3 所示。

表1 钢筋与套筒参数

图2 钢筋与通止规检测的结构示意图

图3 钢筋丝头与通止规结构三维模型

本研究采用自底向上、自内向外的组装策略来构建内螺纹检测装置，从基础的线性模组开始，逐步把各个部件依次进行装配，直至全部安装完毕。具体步骤包括以下几个部分：首先创建新的设计图纸；其次，引入线性模组进入装配环境并予以固定；接下来，按照顺序将底板、箱体、弹簧筒及通止规固定装置等各部件一一进行装配，主要利用如同同轴、平行、垂直或者宽度配合等方式进行组合；最终，将模组、箱体、装夹装置相互匹配，从而完成了整个装置的组装任务。此外，还可通过调整颜色和修改透明度等手段使其更为直观易懂。对于整个设备的三维建模，SolidWorks 具备冲突检测的功能，可用于识别装配物内的零部件是否存在碰撞问题；最常出现的冲突情况通常发生在通止规和通止规装夹装置；弹簧筒与箱体之间，一般是因为同轴度或距离设置不当所致，需对此类三维图形进行相应的调整；关于该钢筋丝头检测装置的运动模拟，该设备由电机驱动，经由键联接传递至弹簧筒；借助插件SolidWorksmotion，我们能对其进行运动模拟分析，在设定转动的方向、速度和线性模组移动的速度之后，针对通止规装夹机构施加负荷，即可达到模拟运行的效果。经过此种方式的运动模拟，我们可以进一步了解产品的构造，同时也能作为优化参数的重要参考。

2 ANSYS 通止规与钢筋丝头加载接触动态特性分析

利用有限元分析法来研究通止规装夹机构运动的负载接触过程，具体步骤如下：①构建钢筋与通止规的三维模型；②将该建模导入到有限元软件系统中；③调整材质属性；④划定有限元网格；⑤实施负荷和约束；⑥求解；⑦结果评估。在本文中，选用Workbench2022 进行有限元计算分析。将SolidWorks 软件创建的三维模型solid 装配文档转换为. x _ t 格式，这种格式可以一次性把带有相关配合的装配体导入Workbench 软件。在不改变模型组装的前提下，所有部分都被视为单独的零件进行处理，无需在Workbench 中再另行画分割线进行划分[6]。

将钢筋丝头检测装置三维模型导入有限元模型以后，一般要首先进行有限元软件的几何编辑模块对原始三维模型进行有益于有限元划分网格和加载计算的处理。将通止规的材料定义为CrMo，这是合金结构钢（也叫做调质钢）的代码[8]。该种材料一般被用来制造能够经受撞击、弯曲和高负荷的各类机械设备中的关键部件。其具有极高的静态强度、抗冲击韧性以及较大的疲劳极限。对于通规与钢筋丝头来说，设置为1 对接触对。在丝头不合格时，齿与齿之间的接触，传递了压力，但又相互运动，且齿面之间具有摩擦力。因为齿与齿之间添加链接约束使螺纹与螺纹之间接触为摩擦，摩擦系数按照钢材之间摩擦设定为0.15。对通规添加与地面连接的圆柱连接副，以确保动态分析过程中通规的转动与移动[9]。

有限元法采用的四面体单元进行网格划分和计算，对钢筋和通规头的网格划分采用的网格大小为5mm，对接触相接触表面的网格大小为0.5mm，如图4 所示。完成整体网格划分后对螺纹与螺纹之间各个接触面位置的网格进行分层细化，如图5 所示。网格划分完后网格数量为43779 个，节点数量为74112 个。

图4 通规与钢筋丝头网格划分图

图5 钢筋丝头网格细化图

完成网格划分后对通规添加运动工况，在钢筋中添加固定支撑使钢筋固定，在通规上添加力矩，大小设置为5000N·mm，并且在运动方向上添加一个50N 的力，如图6。

图6 通规载荷与固定支撑

3 通规与钢筋丝头有限元分析计算结果

依照以上步骤设定好各个环节，就可以开始计算了。完成了预处理之后，接下来就是解决模型的问题，最后的阶段是在检查和评估计算成果。对于螺纹传动效率而言，齿根压力特性的表现是非常重要的评价标准。通过观察通规螺纹齿与钢筋丝头螺纹齿之间接触时的压力与形变状况，我们可以发现，通规螺纹齿的主要压力及形变都集中在了啮合齿部。这里主要查看螺纹齿的变形、接触应力情况。通规螺纹齿的变形量直观地表现了遇到不合格的钢筋丝头受力后的行为。变形量的过大说明通规螺纹齿承载过大，或通规螺纹齿刚度过小。但是变形量并不决定螺纹齿是否被破坏。变形量是应力之和，有些位置变形量可以很大，但应变量是0，如果是0 的话，此处材料就不会破坏。如图7 所示，便是在设定遇到不合格钢筋丝头的工况下通规头与钢筋丝头的总变形量分析图。从云图中可以看出通规头内部上的变形量最小，外部的变形量最大，这与所施加的约束和载荷是相一致的，通规头上最大变形为0.03mm。

图7 通规头变形量云图

当单个螺纹齿承受的载荷越大时，由此产生的应力也就越大，但是由于接触应力受到了螺纹齿面接触位置的曲率半径的影响，螺纹齿面与螺纹齿面所承受应力的大小不一定和受到的载荷相一致。如图8 所示，是由有限元软件计算得到的通规螺纹齿的接触应力云图。如图9 所示，是钢筋丝头的接触应力云图，两个图反应了接触区的位置、最大接触应力位置和接触应力的分布。

图8 钢筋丝头接触应力云图

图9 通规头接触应力云图

从图8 和图9 中可以看出接触区沿着螺纹齿齿向方向，呈现出一个区域。从区域中部向外，其接触应力值逐渐增大。最大应力值出现在该区域的外部。其呈现规律是和实际情况是相符合的，从图7 中可以看出，在变形方向上，当通规螺纹与不合格的钢筋丝头接触时，其变形量由内向外逐渐增大，其呈现的规律是和实际情况相符合的。

4 结论

本文介绍了通规在遇到不合格丝头时螺纹的加载接触分析，所采用的研究方法为有限单元法。通过计算接触应力、通规的应力分布情况。另外，有限元方法中，网格的化分对最大应力值的影响也较大。本文通过运用有限单元法对设计完成的螺纹检测装置的通规进行接触强度的校核。如果强度校核不通过或结果过于安全，则重新进行设计调整，直到设计达到一个较优的状态。利用软件SolidWorks 软件建立了钢筋丝头检测装置的三维实体模型，将通规与钢筋丝头导入到ANSYS 软件中进行网格划分。利用Workbench 平台对进行有限元计算。研究结果显示，通规的最大形变量达到0.03mm，而其最大应力可以达71MPa，这个数值远低于规定的应力值，不会对通规造成破坏，因此该钢筋丝头检测装置能够满足实际加工生产需求。