127_基于有限元分析的螺栓连接松紧情况判据及实例分析

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1、2006年用户年会论文基于有限元分析的螺栓连接松紧情况判据及实例分析周蓓郭爱民航天科技集团公司一院十八所研发中心，北京10076[摘要]提出了基于有限元分析的螺栓松紧情况判据，并以实例给出了计算的全过程，最后给出了结论。[关键词]有限元；螺栓松紧判据ThecriterionofthedegreeoftightnessoftheboltsbasedonfiniteelementsandaexampleofitZhouBei；GuoAiming;R&DCenter,EighteenthInstituteofCh

2、inaAcademyofLaunchVehicleTechnology,AerospaceScienceandTechnologyCorporation,Beijing10076[Abstract]Inthispaper,Thecriterionsofthedegreeoftightnessoftheboltsbasedonfiniteelementareputforward,thewholeprocessofcomputationisgiveninanexample,atlastdrawaconclusi

3、on.[Keyword]finiteelement;thecriterionofthedegreeoftightnessofthebolts1螺栓松紧判据[1]螺栓连接构造简单，成本较低，安装方便，使用不受被连接材料限制，应用广泛。螺栓连接在变载、振动和冲击作用下，以及工作温度变化很大时可能松动。由松动引起连接预紧力减小甚至丧失，从而不能保证连接的紧密性，甚至造成连接松脱或连接中各件过早产生疲劳破坏。螺栓松动问题是一个及其复杂和涉及范围很广的问题，至今还有很多问题没有得到很好的解决，目前主要通过试验进行检验

4、。所以有必要通过先进的CAE技术对此问题进行探讨。螺栓预紧力只能直接施加，不能通过有限元手段计算得到，而螺母和垫片的压力代表了螺栓预紧力的大小，因此可用螺母和垫片的压力变化作为螺栓松紧的判据。本文应用一个实例对此问题进行了探讨。2问题概述电机上压紧电刷的扭簧是靠一个螺栓固定在刷握上。如图1所示。该固定螺栓要承受扭簧对其的扭矩，由于电机发热，其温度也会升高。在高温下固定螺栓是否会变松是一个重要问题。本文应用ANSYSWORKBENCH对此问题进行了探讨。2006年用户年会论文图1模型图图2网格划分情况3网格划

5、分、定义接触、定义材料由于螺栓杆是关键零件之一，因此对螺栓杆的网格定义相对精度为100，其单元形状定义为HexDominant（六面体主导），其他用默认值。网格划分后得到单元10223个，节点33059个，如图2所示。接触类型的定义如表1所示。材料定义如表2所示。为了简化计算，和温度有关的数据都取第一个（即较低温度那个）。表1接触类型接触面编号接触体目标体接触类型摩擦系数1螺母垫片Frictional（摩擦）0.32垫片刷握Frictional（摩擦）0.33螺栓刷握Bonded（绑定）4螺栓螺母Bonde

6、d（绑定）2006年用户年会论文表2材料性质序部件材料材料性能号-6-1密度泊松线膨胀系数a/10.℃弹性模量Gpag/cm^3比20-30020-40030040050020-500℃7.750.31螺栓2CR13℃℃℃℃℃11.51212200189180黄铜2螺母20.68.431030.3H62铸铝3壳体178.321370.325黄铜20-20020-600切变模量80-81.420-300℃7.180.34垫圈65Mn℃℃（计算得E=208）11.112.914.64载荷施加（1）预紧力计算根据

7、理论计算，弹簧轴M3螺母拧紧力矩：M=.012σAd=.012×380×.503×3=688（N.mm）=0.688（N.m）ss螺母拧紧力矩为2N.m，螺纹牙强度校核M2预紧力：F===2222（N）w−3K0d3.0×3×10(2)其他载荷弹簧正常工作时对弹簧轴的最大扭矩为0.084N.m。固定约束施加在固定刷握的两个螺栓孔上。温度场分2种工况：①常温22℃（默认）②施加300℃温度载荷。工况②载荷施加情况如图3所示。2006年用户年会论文图3载荷情况5结论在接触类型设置为表1所示的情况下，经过计算，分

8、别得到了受温度载荷前后的螺母和垫片的接触压力云图，如图4和图5所示。发现常温时最大接触力为437.3Mpa，300℃时最大接触力变为817.7Mpa。因此可以初步得出结论：在高温下螺栓会更紧，不会松。在有些情况下，如果接触力接近零，那么计算有不收敛的可能性，可根据情况适当降低载荷计算，如果收敛了，说明在原载荷作用下，接触力已经接近0，结论为螺栓变松。图4常温下螺母和垫片接触力2006年用户年会论文图5300℃时螺