螺栓结合面建模方法和模态研究

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1、螺栓结合面建模方法和模态研究摘要：根据对结合面的处理方法的不同，采用了有限元分析软件ANSYS建立了不同的螺栓结合面的有限元模型。在不同的螺栓预紧力情况下，对各个模型的进行了模态分析，得到了固有频率。通过分析数据结果，总结了不同的结合面建模方式对系统的模态分析的影响。关键词：螺栓结合面；模态分析；固有频率；预紧力中图分类号：TU313引言机械结构中零件、组件和部件相互接触的表面称为结合面，它在机械结构中大量地存在，使机械结构或系统不再是一个连续的整体。根据运动方式分类，结合面分可以分为为三类。第一类固定结合面，如螺纹联接面

2、、钾钉联接面、销联接面和焊接联接面等；第二类是半固定结合面，如摩擦离合器的联接面［1］；第三类是运动结合面，如齿轮和链轮的啮合面、丝杠螺母的联接面、轴承联接面和导轨联接面等。本文研究的螺栓结合面是属于固定结合面，主要起联接固定的作用。在机械结构中，螺栓结合面是应用广泛的一种连接方式，影响着整个系统的静态特性和动态特性，因此螺栓结合面的分析研究具有十分重要的意义。随着电子计算机的迅速发展，有限元分析法的应用越来越普遍。它是一种有效的数值分析方法，首先应用于连续体力学领域，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问

3、题[2]oANSYS是有限元分析领域的大型通用软件之一，提供了用来模拟各种结构和材料的单元类型、多种有限元分析功能模块。它不但能用于对结构、热、磁场、流体等单独研究，还能用于热-结构耦合和、流体-结构耦合等。本文主要用ANSYS对螺栓结合面结构进行动力学分析的模态分析，应用计算结构的固有频率。1•模态分析的原理动力学分析类型包括瞬态动力学、谐响应分析、模态分析和谱分析。其中，模态分析是其它动力学分析的基础，用于确定结构的固有频率和振型，能使设计的结构避免共振。模态分析的求解是针对下面的运动方程：上式的矩阵特征值即为系统的固

4、有频率，系统的模态分析就是求解矩阵特征值和特征向量的问题。2•螺栓结合面的有限元模型螺栓结合面的建模方法不同，模态分析得到的固有频率也不同，本文将采用粘接法和弹簧阻尼单元处理结合面进行建模。2.1粘结法的有限元模型螺栓结合面的处理方法中，粘结法是最简单的一种方法。它是将被联接件粘结为一体，再将整体模型划分为有限元模型，最后进行模态分析。当对螺栓进行局部分析时，应建立螺栓结构的实体模型。本文是分别系螺栓结合面对整体结构的模态分析，因此可以对螺栓结构进行简化。粘接法的模型示意图如图1所示。在建模过程中，将螺纹结构忽略，螺杆采取

5、有效直径建模，螺母螺杆粘结为一体。单元的材料属性在有限元模型中起着重要的作用，模态分析中只需对材料的弹性模量、泊松比和密度进行定义。设置模型的材料属性可查手册，得到弹性模量为2.01X10PQ，泊松比为0.3,密度为7.8g/cm3o采用三维实体单元solidl86对模型进行网格划分，Solidl86单元是20节点的3D固体结构单元。有限元分析中，螺栓预紧力的模拟包括降温法、预紧力单元法和渗透接触法等。本文采用预紧力单元法，首先用PSMESH命令创建预紧截面，然后将预紧力直接加载到模型±o预紧单元PRETS179用在已经划

6、分好单元的螺栓上定义预紧截面，螺栓单元可以是二维的，也可以是三维的。结构的有限元模型如图1所示。2.2弹簧阻尼单元法的有限元模型采用弹簧阻尼单元来模拟螺栓联接的结合面时无螺母结构，其它结构的有限元模型与粘接法相同。需要确定结合面法向接触刚度和切向接触刚度，与结合面的材料、加工方法和表面质量等有关，可由下式确定［3］：其中，F为螺栓的预紧力，n为螺栓的个数，A螺栓结合面的面积。3•有限元分析结果3.1粘接法的分析结果对预紧截面施加lkN、3kN、5kN的预紧力，分别分析模型的频率和振型。用ANSYS软件中的ModelAnal

7、ysis模块提取不同预紧力的前三阶固有频率，如表1所示：由数据结果可知，当螺栓预紧力发生变化时，模型的固有频率未发生变化。这是因为将结合面粘结处理后，模型成为一个整体，不能影响到模型的模态分析。3.2弹簧阻尼单元法的有限元模型将预紧力为lkN.3kN.5kN带入公式(4)和(5)中得到相应的法相接触刚度和切向接触刚度，然后分别进行建模分析计算。不同的预紧力的情况下的前三阶固有频率如表2所示:由数据结果可知随着预紧力的增加，法向刚度和切向刚度也增大，模型的固有频率也越来越大。4•结论本文用两种方法来处理螺栓结合面，对相应的模

8、型进行了模态分析。由分析结果可知，粘结法的分析结果要小于弹簧阻尼法。这是因为将结合面粘结处理时，有限元法人为结合面的刚度趋于无限大。弹簧阻尼法设置了法向刚度和切向刚度，更加接近实际模型，而粘结法的分析结果趋势可以为其它方法提供参考。参考文献[1]张学良，徐格宁等。机械结合面静动态特性研究回顾及展望[J]