沖擊載荷作用下預(yù)緊力螺栓強(qiáng)度特性研究

， ， ，桐鳴

(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

國內(nèi)外關(guān)于螺栓聯(lián)接的研究很多[1-3]，但對于有預(yù)緊力的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)，關(guān)于螺栓的強(qiáng)度研究多為靜強(qiáng)度研究。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在靜載荷下螺栓聯(lián)接是很少發(fā)生破壞的，只有在嚴(yán)重過載的情況下才會(huì)發(fā)生。螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中所承受的載荷大多為變載荷，尤其是當(dāng)被聯(lián)接件受到?jīng)_擊時(shí)，針對此類研究較少的現(xiàn)狀，本文采用大型非線性有限元軟件ABAQUS，利用從隱式到顯示數(shù)據(jù)傳遞的方法，對沖擊載荷作用下預(yù)緊力螺栓進(jìn)行強(qiáng)度分析，并以某艦用汽缸為例，研究螺栓的強(qiáng)度特性，旨在為螺栓結(jié)構(gòu)裝配時(shí)對螺栓預(yù)緊力的控制提供可靠的、有意義的參考依據(jù)，也對螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

1 單向沖擊作用

1.1 模型選取及邊界條件

對于承受沖擊、振動(dòng)或變載荷的螺紋聯(lián)接件，螺栓一般采用低合金鋼、合金鋼。本文采用40Cr作為螺栓和螺母材料，選用標(biāo)準(zhǔn)件M16×65，螺栓間距為100 mm，螺栓聯(lián)接的上板采用160 mm×160 mm×20 mm的方板，下板采用300 m×300 m×20 mm的方板，其材料為16MnR，具體參數(shù)見表1。

表1 模型的材料參數(shù)

選取較為簡單的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)驗(yàn)算螺栓在不同沖擊工況、不同沖擊方向的響應(yīng)。為便于網(wǎng)格劃分和有限元計(jì)算并保證計(jì)算精度，將螺栓簡化為圓柱，由于螺母不是主要的考察對象，為便于網(wǎng)格劃分將螺母簡化為圓柱，真實(shí)模擬螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，將各個(gè)相接觸的面均設(shè)為有摩擦接觸。對于鋼或鑄鐵被聯(lián)接件取摩擦系數(shù)f=0.10～0.15，本文取摩擦系數(shù)f0=0.15。見圖1。

圖1 螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)有限元模型

為了模擬預(yù)緊力螺栓受不同沖擊載荷后的響應(yīng)，通過在下板加質(zhì)量點(diǎn)來模擬設(shè)備重量，對上板分別施加橫向沖擊載荷和縱向沖擊載荷，以及同時(shí)施加橫向沖擊和縱向沖擊載荷。

1.2 預(yù)緊力計(jì)算

合金鋼螺栓聯(lián)接預(yù)緊力F0為

F0≤(0.5～0.6)σsA1

(1)

其中：d1——螺栓小徑。

本文螺栓預(yù)緊應(yīng)力初始選定為材料屈服極限的40%，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知M16螺紋小徑d1=13.835 mm，故螺栓的預(yù)緊應(yīng)力為

1.3 計(jì)算工況

螺栓預(yù)緊力屬于靜力載荷，只能在隱式分析中施加，而在顯示分析中無法施加螺栓預(yù)緊力，本文采用國際上通用的大型非線性有限元軟件ABAQUS，利用從隱式到顯式數(shù)據(jù)傳遞的方法，通過隱式分析施加螺栓預(yù)緊力，將計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入顯示分析步，對結(jié)構(gòu)施加沖擊載荷來計(jì)算螺栓的響應(yīng)，計(jì)算工況見表2，加載曲線見圖2。

表2 螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算表2所列工況，分析螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性，只給出某時(shí)刻工況1下螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在沖擊過程中的Mises應(yīng)力云圖，見圖3。所有工況下螺栓的最大Mises應(yīng)力見表3。

預(yù)緊力螺栓在受縱向及橫向變載荷時(shí)安全系數(shù)為1.2～1.5，本文取螺栓安全系數(shù)為S=1.3，則螺栓的許用應(yīng)力為

圖2 螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)加載曲線

圖3 螺栓最大應(yīng)力

載荷/g以下預(yù)緊力/N時(shí)最大Mises應(yīng)力/MPa047 18058 97570 770橫向沖擊10400407493577206684795446633082559064471440106727771817縱向沖擊10766383479574201533874825763023039248758140306405492585503834355055936045948453360770536540580633

由表3可知，在橫向沖擊中，螺栓在無預(yù)緊力時(shí)，沖擊載荷達(dá)到20g時(shí)，螺栓破壞；螺栓預(yù)緊力為47 180 N時(shí)，沖擊載荷達(dá)到40g時(shí)，螺栓破壞；螺栓預(yù)緊力為58 975 N時(shí)，沖擊載荷達(dá)到30g時(shí)，螺栓破壞；螺栓預(yù)緊力為70 770 N時(shí)，沖擊載荷達(dá)到20g時(shí)，螺栓破壞。在縱向沖擊中，螺栓預(yù)緊力為70 770 N時(shí)，沖擊載荷達(dá)到60g時(shí)，螺栓破壞。圖4所示為螺栓預(yù)緊力與其最大Mises應(yīng)力在不同工況下的關(guān)系，螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較大部位處某點(diǎn)的Mises應(yīng)力時(shí)歷見圖5。

圖4 螺栓預(yù)緊力與螺栓最大Mises應(yīng)力關(guān)系

圖5 設(shè)備Mises應(yīng)力時(shí)歷曲線

由圖4可知，在橫向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)越大，且當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而減小，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力大于材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大，故受剪螺栓的預(yù)緊應(yīng)力在其材料屈服極限的40%左右時(shí)，其強(qiáng)度最大。

在縱向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)越大，且螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大，故受拉螺栓的強(qiáng)度會(huì)隨著其預(yù)緊力的增大而變薄弱。

由圖5可以看出，在有螺栓預(yù)緊力時(shí)，其螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)受沖擊后的應(yīng)力響應(yīng)較平緩，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性有一定保障，由于預(yù)緊力的作用，對結(jié)構(gòu)局部會(huì)產(chǎn)生一定的初始應(yīng)力。

3 橫向沖擊和縱向沖擊的同時(shí)作用

實(shí)際工程中，預(yù)緊力螺栓可能受到橫向沖擊和縱向沖擊同時(shí)作用。由圖4可知，在不同沖擊載荷作用下，預(yù)緊力螺栓的最大Mises應(yīng)力隨預(yù)緊力的不同變化趨勢一致，故可取典型工況來研究預(yù)緊力螺栓在不同預(yù)緊力下同時(shí)承受橫向沖擊和縱向沖擊的應(yīng)力響應(yīng)。本文取預(yù)緊力螺栓同時(shí)承受橫向沖擊和縱向沖擊作用工況，見表4。

表4 橫向沖擊和縱向沖擊同時(shí)作用

預(yù)緊力螺栓在橫向沖擊和縱向沖擊同時(shí)作用下的最大Mises應(yīng)力云圖及預(yù)緊力螺栓最大Mises應(yīng)力與預(yù)緊力關(guān)系見圖6、7。

圖6 橫向沖擊和縱向沖擊同時(shí)作用時(shí)螺栓應(yīng)力響應(yīng)

圖7 螺栓預(yù)緊力與螺栓最大Mises應(yīng)力關(guān)系

由圖6、7可知，螺栓無預(yù)緊力時(shí)，上下板發(fā)生了明顯的分離，螺栓應(yīng)力響應(yīng)劇烈，螺栓破壞；當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而減小，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力大于材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大，故同時(shí)受剪拉作用的螺栓，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力為其材料屈服極限的40%左右時(shí)，其強(qiáng)度最大。

4 工程實(shí)例

以某型艦用汽輪機(jī)汽缸為例，汽缸上、下缸材料均為ZG06Cr13Ni4Mo，采用M56和M30的雙頭螺柱聯(lián)接，螺柱材料為25Cr2MoV，螺母為35CrMoA，M56螺栓平均間距為90 mm，M56螺栓平均間距為68 mm，對汽缸分別施加橫向沖擊載荷和縱向沖擊載荷，加載曲線按圖2所示，加載工況見表5，汽缸某時(shí)刻的應(yīng)力響應(yīng)云圖見圖8。

表5 計(jì)算工況

圖8 汽缸某時(shí)刻的應(yīng)力響應(yīng)云圖

通過《工程材料手冊》查得25Cr2MoV的屈服應(yīng)力可達(dá)1 042 MPa，汽缸螺栓預(yù)緊力與其最大Mises應(yīng)力在不同工況下的關(guān)系見圖9。

圖9 汽缸螺栓預(yù)緊力與螺栓最大Mises應(yīng)力關(guān)系

由圖9可知，汽缸聯(lián)接螺栓在橫向沖擊中，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于其材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而減小，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力大于其材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大；汽缸聯(lián)接螺栓在縱向沖擊中，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大。

5 結(jié)論

1)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在橫向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)越大，且當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于其材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而減小，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力大于其材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大，故受剪螺栓的預(yù)緊應(yīng)力在其材料屈服極限的40%左右時(shí)，其強(qiáng)度最大。

2)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在縱向沖擊中，沖擊載荷越大，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)越大，且螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大，故受拉螺栓的強(qiáng)度會(huì)隨著其預(yù)緊力的增大而變薄弱。

3)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)在橫向沖擊和縱向沖擊同時(shí)作用中，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而減小，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力大于材料屈服極限的40%時(shí)，螺栓的應(yīng)力響應(yīng)隨著預(yù)緊力的增大而增大，故同時(shí)受剪拉作用的螺栓，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力在其材料屈服極限的40%左右時(shí)，其強(qiáng)度最大。

4)在有螺栓預(yù)緊力時(shí)，其聯(lián)接結(jié)構(gòu)受沖擊后的應(yīng)力響應(yīng)較平緩，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性有一定保障，由于預(yù)緊力的作用，對結(jié)構(gòu)局部會(huì)產(chǎn)生一定的初始應(yīng)力。

[1] 王曉俠,江 帆,蘇羅青,等.綜合集成桅桿螺栓聯(lián)接方式研究[J].中國艦船研究, 2010(5):42-45.

[2] 周 坤,劉美紅.法蘭螺栓連接中螺栓預(yù)緊力的計(jì)算和控制方法分析[J].新技術(shù)新工藝,2010(8):26-28.

[3] 張阿漫,郭紹靜,蔣玉娥,等.船用主汽輪機(jī)汽缸靜剛度分析研究[J].船舶工程,2009(8):30-32.