螺栓连接中预紧力分析

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1、螺栓连接中预紧力的有限元分析余娟，余明友，金建伟，宋若愚（空军预警学院，湖北武汉４３００１９）摘要：利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立了螺栓连接的有限元模型，采用了预紧力单元法和温度收缩法模拟预紧力两种方法，分析了不同载荷条件下螺栓结构的轴向变形图和轴向应力图，并将有限元分析结果与理论分析进行对比，以验证建立的有限元模型的有效性，为分析复杂结构中螺栓连接结构的简化提供了理论依据。关键词：螺栓连接结构；预紧力单元法；有限元分析；温度收缩法中图分类号：ＴＰ３１９文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－７８００（２０１３）００９－００６４－

2、０３似为离散域，即为有限元网格划分；③确定状态变量及控０引言制方法：将包含边界条件的微分方程化为等价的泛函形式；④单元推导：选择合理的单元坐标系，建立单元试函为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动数，形成单元矩阵；⑤总装求解：将单元总装成离散域的总［１］生产率等，各种连接得以广泛地使用。其中，螺栓连接矩阵方程；⑥联立方程组和结果求解：采用直接法、迭代法是最为常见的一种连接方式，其在装配时都需要施加一定和随机法求解联立方程组。的预紧力，目的是增强连接的刚度、紧密性和放松能力，防ＡＮＳＹＳ软件是功能强大而灵活的有限元软件

3、，广泛止受载后被连接件之间出现缝隙或滑移。合适的预紧力应用于机械制造、土木工程、电子等行业。提供的分析类对结构的疲劳强度是有利的，但是过大的预紧力会使连接型包括结构分析、热分析、电磁场分析和流体动力学分析。结构失效。因此，螺栓连接中控制预紧力十分重要。螺栓连接结构中有限元分析中，螺栓连接预紧力的模拟对结构２预紧力模拟方法的应力和形变有一定的影响，特别是一些对螺纹连接紧密性要求较高的结构，如汽缸盖、轴承盖、齿轮箱等。本文研有限元分析计算中，螺栓连接结构的简化从整体结构究了螺栓结构中的预紧力，应用ＡＮＳＹＳ软件螺栓结构建出发，虽然

4、减少了计算规模，但是螺栓的预紧力不能准确立了全尺寸三维有限元接触模型，并利用预紧力单元法和模拟，对整体分析结果有较大影响。本文介绍了两种方法温度收缩法模拟预紧力两种方法，为复杂结构中的螺栓结来模拟预紧力。构简化提供了理论依据。２．１预紧力单元法预紧力作用于螺栓连接结构时，由于螺栓处于拉伸状１有限元法简介态，被连接件处于压缩状态，因此很难模拟螺栓连接结构CAMEO凯模CAE案例库的真实受力。在ＡＮＳＹＳ软件中，直接在被连接件与螺栓有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替较复头和螺母的接触面上施加压力，然后在螺栓连接结构的连杂的问

5、题。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的接处创建一个预拉伸截面，产生预紧力单元，然后在预紧互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解www.cameo.org.cn，然后力单元上直接加载预紧力。［２］推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。主２．２温度收缩法要分为前处理、求解和后处理３个阶段。前处理模块主要当螺栓温度发生变化时，螺栓和被连接件都会产生自用于建立有限元模型和网格划分，后处理模块用于采集处由伸缩量，这时会产生相应的力来阻止结构自由伸缩。温理分析结果，并将计算结果以图形、图表、曲线形式显示或度收缩法的基本思

6、想就是把初始预紧力的大小换算成相输出。应的温度变化，初始温度设为０，然后将温度载荷加载到［２］有限元求解可分为６个步骤：①问题及解域定义：螺杆上。根据实际问题确定求解域；②求解域离散化：将求解域近螺栓的变形和被连接件的变形量△ｌ１和△ｌ２与初始作者简介：余娟（１９８５－），女，硕士，空军预警学院助教，研究方向为机械电子工程。第９期余娟，余明友，金建伟，等：螺栓连接中预紧力的有限元分析·６５·载荷Ｆ０的关系可以表示为：预紧力，温度载荷均匀地施加到螺栓体单元的节点上。Ｆ０Ｆ０Δｌ１＝Δｌ２＝ｋｔｋｃ其中，ｋｔ为螺栓刚度，ｋｃ为被连

7、接件刚度。螺栓连接结构总的变形量为：Δｌ＝Δｌ１＋Δｌ２　△ｌ与△ｔ的关系为：Δｌ＝ＥαΔｔ其中，α为热膨胀系数，Ｅ为材料的弹性模量。则△ｔ与Ｆ０之间的关系为：图１螺栓连接模型图２螺栓连接有限元模型ｋｔ＋ｋｃＦ０＝Δｔαｌｋｔｋｃ４计算结果分析用温度收缩法模拟预紧力时，只需要一个载荷步，把预紧力换算成温度载荷施加到螺栓光杆部分，螺栓在热载４．１预紧力单元法分析荷作用下发生收缩变形来模拟螺栓的预紧作用。利用实在预紧面上施加预紧力，并施加工作载荷，螺栓连接际螺栓尺寸和材料特性，按照上式计算出预紧力的等效温结构的变形和应力如图３和图

8、４所示。差，将温度施加到螺栓体单元的节点上，就可以模拟预紧力。３有限元模型建立３．１螺栓连接模型本文的螺栓连接模型是由螺栓、螺母和两块被连接件组成的，螺母和螺栓为一体，忽略螺杆的螺纹，如图１所示。为了得到更准确的有限元模型，在连接件和被连接件、连接件与螺栓、被连接件与螺栓之间