螺栓联接结合面接触分析及试验研究

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1、第27卷第5期农业工程学报Vol.27No.52011年5月TransactionsoftheCSAEMay.2011147螺栓联接结合面接触分析及试验研究12※11谢建华，崔新维，马卫彬，岳勇（1.新疆农业大学机械交通学院，乌鲁木齐830052；2.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074）摘要：根据结合面接触分形理论，论述了共形面接触刚度分形模型。对某低速重载设备的主动轴、法兰结合面接触受力情况进行了有限元仿真分析，发现螺栓孔缘处有应力集中现象。为了验证有限元仿真分析的可靠性，避免实际使用过

2、程中孔缘处发生局部压溃现象，对主动轴、法兰联接组件做了等效件试验，试验结果与仿真分析一致，为低速重载机械同种结构的设计提供了可靠依据。关键词：螺栓联接，接合面，接触分析，有限元，试验doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.05.025中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-05-0147-04谢建华，崔新维，马卫彬，等.螺栓联接结合面接触分析及试验研究[J].农业工程学报，2011，27(5)：147－150.XieJianhua,Cui

3、Xinwei,MaWeibin,etal.Contactanalysisandexperimentalstudyofthejointinterfacesboltedconnection[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(5):147－150.(inChinesewithEnglishabstract)是主动轴、联接法兰损伤直至失效破坏的重要原因。主动0引言轴、联接法兰结合面实质上是由两个粗糙表面组成的，结螺栓联接作为螺纹联接的典型方式，常常用来承担构示意图见图1所示。可以

4、简化为一个粗糙表面与一个真两构件间的轴向力、倾覆力矩和扭转力矩。石油机械、[4-5]实平面的接触问题。对于粗糙表面上的单个微凸体，矿山机械和风力发电机组等低速重载设备的扭矩由原动将其近似等效为球体，等效曲率半径为R，若其接触区域机构通过法兰盘传递给中间传动部件。原动件由于结构半径为r，产生的法向变形为δ，那么，球体与真实平面形式的原因通常又被称为主动轴，主动轴与法兰盘联接[6-7]在接触点的法线方向所受载荷P为形成的结合面受力情况属于接触问题中的共形面接触问134题[1]，螺栓在工作过程中起抗剪作用。为

5、满足极限载荷的p=ER2δ2（1）3要求，通常采用高强度螺栓加强化处理的套筒共同作用1传递扭矩。由于结构要求紧凑，结合面上布置的剪切销⎛3pR⎞3r=⎜⎟（2）（螺栓套筒组）的数目有限，对低速重载设备的这种结合⎝4E⎠面联接组件的强度提出了很高要求。目前，张学良、温2211−v11−v2淑花等[2-3]利用接触分形理论和微接触大小分布函数，从=+（3）EE1E2理论上建立了微接触分布的结合面接触刚度的分形模式中，E1、E2为两接触体材料的弹性模量，GPa；v1、v2型，但是没有对实际共形结合面接触问题做

6、进一步研究。为两接触体材料的泊松比。针对实际接触面由于结构原因出现的局部应力集中现象，本文以接触有限元理论为依据，借助有限元软件，就某大型低速重载设备的主动轴与法兰螺栓连接接触面的强度问题做进一步的研究。1螺栓联接结合面接触分析1.1结合面接触的理论分析螺栓连接的两构件接触属于共形面接触，接触过程中两个接触面上的相互作用是复杂的力学现象，同时也图1结合面联接结构示意图Fig.1Sketchmapofthejointinterfacesboltedconnection收稿日期：2010-10-24修订日期

7、：2010-12-22基金项目：新疆维吾尔自治区重大攻关项目（200732141-3）根据式（1）和式（2），某单个微凸体与平面接触作者简介：谢建华（1975―），讲师，博士研究生，主要从事机械设计理论、的法向接触刚度(N/m)为机械制造方面的研究。乌鲁木齐新疆农业大学机械交通学院，830052。Email:xjh199032@163.comkn=2Er（4）※通信作者：崔新维（1961―），副教授，硕士生导师，主要从事机械设计若接触区域的面积为理论与方法研究。。武汉华中科技大学机械科学与工程学院，43

8、0074。2Email:cuixinwei@126.coma=πr（5）148农业工程学报2011年式（4）可以表示为高强度（10.9级）螺栓结合相应尺寸的套筒组合联接，a系统传递的极限扭矩为4060kN·m。按照摩擦系数为0.5kn=2E（6）π对螺栓组施加预紧力（接触面喷涂特殊材料），借助被联接件接合面的摩擦作用抵消部分扭矩，剩余部分扭矩根据接触分形理论，接触面积为a的接触点的大小分布函数为[8]由螺栓套筒承担。D主动轴、法兰的材料为4