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有限元分析中的螺栓联接处理方式!

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7引言
通常情况,在联接螺栓的设计与校核中,需要根据螺栓受到的外载计算螺栓预紧力,再根据不同工况下的计算公式进行强度计算,如静载荷与动载荷的分析计算。对于典型的螺栓联接,受制于各种因素的影响无论从初始预紧到最后的螺栓变化载荷,需要考虑的参数组合很容易使人困惑,尤其是要考虑螺栓联接失效的时候。因此在分析时准确的构造螺栓联接特征非常重要。针对不同的需求,有限元分析对螺栓联接的处理方式也不同,主要包括下面五种:1.螺栓不参与建模,零件之间采用绑定接触,不添加螺栓预紧力;

2.螺栓联接采用线体模型建模,线体模型的梁单元包含螺旋预紧力;

3.螺栓采用实体建模,但不建螺纹,包括螺栓预紧力以及摩擦接触;

4.螺栓采用实体建模,采用螺纹接触,包括螺栓预紧力以及摩擦接触;

5.螺栓采用实体建模,并完整建出螺纹,包括螺栓预紧力以及摩擦接触。

由于前两张情况比较简单,在此不进行讨论,而第五种情况,如果对螺纹进行完整的建模,建模过程复杂并且后期计算成本很大,实际中并不实用,因此在本文中只讨论3、4两种情况。

1 分析模型
选择一对通过螺栓联接的带颈对焊法兰作为分析模型。由于是对称模型,因此取模型的一半进行分析,法兰的一端接管延伸足够的长度(>2.5(Rt)1/2),法兰承受1MPa的内压并承受远端载荷1000N,如图1所示。
2 螺栓为实体单元无螺纹
ANSYS在施加螺栓预紧载荷时,螺栓会被一分为二,两部分之间通过自动创建的螺栓预紧单元PRETS179连接在一起,改单元具有以下特点:
(a)一组预紧单元用一个截面标识,产生的先单元连接螺栓的两个分离部分;
(b)线单元两段节点为J、I,节点K为预紧点。节点K可处于任意位置,拥有一个轴向位移自由度UX。可以定义轴向预紧力FX或轴向预紧位移UX,在螺栓预紧方向是为线运动。
(c)预紧方向固定,不能随螺栓转动而更新方向。
螺栓采用规则的网格划分(如六面体单元)划分时能得到平直的预紧截面创建PRETS179单元,而四面体单元的预紧截面是扭曲的,创建的PRETS179单元容易影响计算结果,因此可以在建模时将螺栓切分为两部分,手动创建平直的预紧截面,如图2所示。
在法兰上创建螺栓螺母的完整模型,其中,需要修改法兰密封面的接触为摩擦接触,螺栓与螺栓孔的接触为不分离接触。施加螺栓预紧力后进行计算,载荷见图3,计算结果见图4。
从图4中可以看到,应力最大值为200.78MPa,出现在螺柱与螺孔面想接触的位置,螺栓的作用反力为978.29N。
3 螺栓为实体单元,采用螺纹接触
螺纹接触的几何修正是从ANSYS Workbench 15.0开始添加的新功能,它可以把螺栓集中力处理为通过螺纹连接面的分布力,更接近于螺栓应力分布的真实状态,但是使用时需要注意以下几点:
(1)螺栓为接触面、螺栓孔为目标面,不能使用绑定接触,需要使用非对称接触行为【Behavior】=Asymmetry;
(2)探测方式不能选择【Nodal-Normal to Target】或【On Gauss Point】;
(3)螺栓区域网格密度高,网格划分的单元大小应不大于1/4螺距。
设置好的螺栓接触细节如图5所示,从图5中可以看出,在螺栓接触中可以设置螺栓的中径、螺距、螺旋角、螺纹形式、螺纹方向等数据。
其余设置与第2章相同,进行计算,结果见图6。
对比图4与图6的分析结果可以看出,采用螺纹接触分析时,螺柱上的应力分布是跟设置的螺纹信息相关的,呈螺旋状分布,应力最大值也分布在螺纹接触处,相比于第二章更接近于真实的应力分布情况。
4 结论
在上面的两种分析中我们可以看出,这两种分析方法对于法兰的影响并不大,最大的区别在于螺栓的应力分布,因此针对不同的分析要求,我们可以选择不同的分析方法灵活应对。