螺栓預(yù)緊力的加載方法研究

冷 駿

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

螺栓預(yù)緊力的加載方法研究

冷 駿

● （海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031）

螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確加載對(duì)于螺栓應(yīng)力分析以及螺栓聯(lián)接組件的受力特性分析起著至關(guān)重要的作用。本文以某型調(diào)距槳葉根螺栓為分析模型，在有限元分析軟件中建立計(jì)算模型，采用仿真分析的方法對(duì)螺栓預(yù)緊力的加載方法進(jìn)行研究，建模分析計(jì)算表明，兩種計(jì)算方法均能有效地模擬螺栓的預(yù)緊效果。

螺栓預(yù)緊力；加載方法；有限元分析

0 引言

螺栓連接是機(jī)械設(shè)備中廣泛使用的緊固件之一，方便拆卸、連接緊固，多用于受力復(fù)雜部位及重要的接頭處，其使用環(huán)境和受力特性表明螺栓往往是此類(lèi)連接中的薄弱環(huán)節(jié)。

為了增強(qiáng)連接的剛性、緊密性、防松能力與疲勞壽命，多數(shù)螺栓連接在裝配時(shí)須對(duì)螺栓施加穩(wěn)定而可靠的預(yù)緊力。所施加的預(yù)緊力既要保證螺栓連接的質(zhì)量要求，又要滿(mǎn)足螺栓的強(qiáng)度要求。預(yù)緊力過(guò)大往往會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接失效，特別是在密封連接的情況下，預(yù)緊力過(guò)大，密封墊片會(huì)被壓死而失去彈性，甚至?xí)霈F(xiàn)螺栓強(qiáng)度不足而斷裂；過(guò)小的預(yù)緊力又使受壓后的被連接件表面的殘余壓緊力達(dá)不到工作密封比壓，從而導(dǎo)致密封不嚴(yán)，而且受工作載荷后螺栓連接容易因應(yīng)力幅過(guò)大而發(fā)生疲勞破壞。一般規(guī)定預(yù)緊后的螺栓聯(lián)接組件中螺栓軸向截面應(yīng)力不得大于其材料屈服極限σs的80%。對(duì)于一般聯(lián)接用鋼制螺栓，推薦用預(yù)緊力限值為：碳素鋼螺栓，F(xiàn)0=(0.6～0.7)σs·As；合金鋼螺栓，F(xiàn)0=(0.5～0.6)σs·As，σs為螺栓材料的屈服極限，As為螺栓螺桿小徑截面積。

在連接結(jié)構(gòu)有限元分析中，螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確加載對(duì)于螺栓應(yīng)力分析以及螺栓聯(lián)接組件的受力特性分析起著至關(guān)重要的作用。本文以某型葉根螺栓為分析模型，在有限元軟件中建立計(jì)算模型，采用仿真分析的方法對(duì)螺栓預(yù)緊力的加載方法進(jìn)行研究，并比較不同加載方法計(jì)算結(jié)果的差異。

1 預(yù)緊力加載方法研究

1.1 預(yù)緊力換算

調(diào)距槳葉根連接組件由葉根法蘭、曲柄盤(pán)、葉根螺栓組成，葉根法蘭和曲柄盤(pán)通過(guò)葉根螺栓連接在一起。為防止承受工作載荷作用后葉根法蘭與曲柄盤(pán)之間產(chǎn)生縫隙或相對(duì)滑移，葉根螺栓在裝配時(shí)須承受足夠的預(yù)緊力以滿(mǎn)足聯(lián)接的可靠性與緊密性。

工程中常用的螺栓預(yù)緊方式有測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量法、測(cè)定螺母旋轉(zhuǎn)角法、以及控制螺栓的擰緊力矩法等，調(diào)距槳葉根螺栓一般通過(guò)控制螺栓的擰緊力矩來(lái)控制預(yù)緊力，采用扭矩扳手?jǐn)Q緊螺帽達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩即表明螺栓預(yù)緊力達(dá)到額定值。而在強(qiáng)度校核或其他方面的計(jì)算中，須將擰緊力矩?fù)Q算成螺栓所受的軸向力。

圖1 葉根螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力的換算關(guān)系圖

螺栓擰緊時(shí)，擰緊力矩等于螺紋副的螺紋阻力矩及螺母與被聯(lián)接件支承面間的端面摩擦力矩之和（圖 1）。擰緊力矩與螺栓預(yù)緊力間的關(guān)系為：

式中，T為螺帽所受擰緊力矩，P為螺栓預(yù)緊力，dcp為螺栓螺紋中徑，α為螺紋升角，ρ為螺紋副當(dāng)量摩擦角，，f為螺紋副平面當(dāng)量摩擦系數(shù)，β為螺紋牙型角（對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)螺紋，β=60°），μ為螺栓帽與法蘭螺孔支承面間的當(dāng)量摩擦系數(shù)，d2、d1分別為螺栓螺帽與葉根法蘭接觸面環(huán)形區(qū)域的外徑、法蘭螺栓孔直徑。

在某型調(diào)距槳葉根螺栓設(shè)計(jì)中，螺紋副當(dāng)量摩擦系數(shù)f、螺帽與法蘭螺孔支承面間的當(dāng)量摩擦系數(shù)μ均取0.11，通過(guò)上述公式換算得出螺栓預(yù)緊力為P= 689kN，螺栓螺桿直徑為D=48mm，截面平均軸向應(yīng)力為。

1.2 預(yù)緊力加載方法

在有限元軟件MSC.Marc中模擬螺栓預(yù)緊力，主要可以通過(guò)截面法、滲透接觸法、等效力法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，等效力法將螺桿所承受的軸向拉力等效為多個(gè)集中力或者一個(gè)面壓力，然后對(duì)預(yù)緊螺栓作用的聯(lián)接結(jié)構(gòu)直接施加等效荷載，這種方法不建立預(yù)緊螺栓的有限元模型，不能直觀地反映螺栓及其連接件的受力特性。因此，本文擬采用截面法、滲透接觸法兩種方法模擬螺栓預(yù)緊力。

1.2.1 截面法

通過(guò)螺桿某處橫截面將螺桿截?cái)?，分別定義為截面A、B（圖2）。在截面外創(chuàng)建一控制點(diǎn)（control node），并與截面A、B建立overclosure tying連接用以控制截面A、B的相對(duì)位移，在控制點(diǎn)上以邊界條件的方式施加預(yù)緊力P，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓預(yù)緊作用的模擬。

圖2 截面法施加預(yù)緊力示意圖

1.2.2 滲透接觸法

在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中預(yù)應(yīng)力的施加有“先張法”、“后張法”等，滲透接觸法即采用與“先張法”類(lèi)似的處理方法。

建立計(jì)算模型時(shí)，將有限元模型中螺桿某截面上部結(jié)點(diǎn)整體下移一定距離，亦即縮短螺桿長(zhǎng)度。然后再將一定的位移載荷（此位移載荷應(yīng)大于計(jì)算模型中螺栓結(jié)點(diǎn)下移距離）以邊界條件的方式施加于這些結(jié)點(diǎn)上，使得螺栓螺帽下端面高于法蘭螺孔上端面，此時(shí)螺桿被拉長(zhǎng)。釋放結(jié)點(diǎn)位移載荷后，經(jīng)拉伸變形的螺桿有回彈的趨勢(shì)，此時(shí)定義螺栓螺帽下沿與法蘭螺孔上沿之間的接觸關(guān)系，當(dāng)兩者等高時(shí)發(fā)生接觸變形。由于法蘭具有一定的剛度，螺桿拉伸變形不能完全恢復(fù)，螺桿截面存在拉緊應(yīng)力，也就是預(yù)緊力效果。整個(gè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 滲透接觸法施加預(yù)應(yīng)力示意圖

2 有限元分析

2.1 建模

以某型調(diào)距槳葉根螺栓為研究對(duì)象，選取單個(gè)葉根螺栓連接組件進(jìn)行仿真建模，將幾何模型導(dǎo)入Hypermesh，劃分為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，生成用于MSC.Marc靜力學(xué)接觸分析所需的有限元模型，如圖4所示。

圖4 有限元分析模型

曲柄盤(pán)與法蘭劃分為六面體網(wǎng)格，單元數(shù)分別為3320和2180，結(jié)點(diǎn)數(shù)分別為4288和3336，如圖5所示。

圖5 曲柄盤(pán)和法蘭網(wǎng)格圖

葉根螺栓劃分為六面體網(wǎng)格，單元數(shù)為 216432，結(jié)點(diǎn)數(shù)為 227920，倒角處由于存在應(yīng)力集中，需對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖6所示。

2.2 材料參數(shù)

在計(jì)算模型中定義葉根法蘭為銅制材料，曲柄盤(pán)、葉根螺栓為鋼制材料，模型材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖6 葉根螺栓網(wǎng)格圖（右圖為局部放大視圖）

表1 有限元分析模型材料參數(shù)

2.3 接觸關(guān)系

在計(jì)算模型中，曲柄盤(pán)上表面與葉根法蘭下表面，葉根螺栓螺帽和法蘭上表面之間存在接觸，在Marc中采用接觸迭代算法，接觸面間的摩擦方式設(shè)定為庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)均設(shè)定為0.11。

在有限元分析中，對(duì)螺栓連接的處理方式為忽略螺紋嚙合，直接將螺栓與連接件綁定在一起。在本次有限元仿真分析中，葉根螺栓的處理方式可借鑒這種方法，將葉根螺栓與曲柄盤(pán)綁定成一體。

2.4 加載與結(jié)果分析

將曲柄盤(pán)與葉根法蘭的兩端面采用固定約束，并對(duì)螺栓采用上述兩種方法施加預(yù)緊力，提取螺桿截面軸向應(yīng)力并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較。

由圖7可見(jiàn)，兩種預(yù)緊力算法得到的螺栓截面軸向應(yīng)力云圖基本一致，分布狀態(tài)相差不大。提取此界面各節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)力值并作平均處理，可得截面軸向平均應(yīng)力，如表2如示。

通過(guò)兩種計(jì)算方法所得螺栓截面軸向應(yīng)力云圖以及螺栓截面軸向平均應(yīng)力的比較可知，采用兩種計(jì)算方法均能有效地模擬螺栓的預(yù)緊效果。

圖7 兩種算法的葉根螺栓截面軸向應(yīng)力云圖

表2 兩種算法下螺栓截面軸向平均應(yīng)力

3 結(jié)論

截面法中將預(yù)緊力以集中載荷的形式施加于螺栓截面控制點(diǎn)上，理論上是合理的而且是理想的，因此所得螺栓截面軸向平均應(yīng)力與理論計(jì)算值相差不大；滲透接觸法通過(guò)比較螺栓螺桿截面平均軸向應(yīng)力與理論值的差異調(diào)整螺桿長(zhǎng)度的縮減量，通過(guò)試算可與理論計(jì)算值無(wú)限接近，但在考慮到計(jì)算時(shí)間、資源等成本的情況下，僅對(duì)其進(jìn)行了若干次試算，便得到理想的結(jié)果。因此，在對(duì)螺栓組件進(jìn)行有限元仿真分析中，采用截面法和滲透接觸法均能真實(shí)有效地模擬螺栓的預(yù)緊效果。

[1]李會(huì)勛, 胡迎春, 張建中.利用 ANSYS模擬螺栓預(yù)緊力的研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2006(10): 65-68.

[2]吳庭翱.基于經(jīng)典計(jì)算和有限元方法的液壓聯(lián)軸器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備, 2011(12): 28-30.

[3]趙云飛, 徐定耿, 賀寅彪.基于初應(yīng)變理論的螺栓預(yù)緊力加載方法在應(yīng)用[J].原子能科學(xué)技術(shù), 2008(2):71-74.

針對(duì)漂浮型海上機(jī)組結(jié)構(gòu)維護(hù)的決策支持系統(tǒng)即將完成

據(jù)必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)船級(jí)社透露，一項(xiàng)創(chuàng)新的海上項(xiàng)目決策支持系統(tǒng)即將開(kāi)發(fā)完成，此系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)海上漂浮型機(jī)組的結(jié)構(gòu)維護(hù)設(shè)計(jì)的。此項(xiàng)創(chuàng)新可為所有形式的海上可再生能源電站實(shí)現(xiàn)成本及能耗的顯著節(jié)省。

此系統(tǒng)是在Eurogia+項(xiàng)目的框架下開(kāi)發(fā)的，Eurogia+項(xiàng)目是歐洲聚落計(jì)劃Eureka Cluster專(zhuān)門(mén)針對(duì)低碳能源的子項(xiàng)目。項(xiàng)目參與方包括：必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)，Materiaal Metingen Europe，Liège大學(xué)，DN&T，以及Ifremer。各參與方已經(jīng)合作開(kāi)發(fā)完成了海上漂浮型機(jī)組結(jié)構(gòu)維護(hù)的原型軟件，預(yù)計(jì)幾個(gè)月內(nèi)項(xiàng)目將全部完成。

必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)船舶服務(wù)項(xiàng)目部經(jīng)理Philippe Renard指出：“由于海上漂浮型機(jī)組持續(xù)經(jīng)受風(fēng)和海浪的作用，因此進(jìn)入機(jī)組比較困難。因此，海上漂浮型風(fēng)電場(chǎng)的盈利能力主要取決于合理的項(xiàng)目初始設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段優(yōu)化的檢驗(yàn)、維護(hù)、維修方案（IMR）?！?/p>

必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)全壽命周期&資產(chǎn)完整性管理系統(tǒng)項(xiàng)目整合多領(lǐng)域方案，包括：檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)模擬，基于風(fēng)險(xiǎn)控制的檢驗(yàn)，概率計(jì)算，針對(duì)機(jī)組動(dòng)態(tài)分析和應(yīng)力分析的流體動(dòng)力學(xué)時(shí)域計(jì)算。各單元結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)及疲勞分析，為各機(jī)組制定3D幾何模型，并參考海上OpenHCM標(biāo)準(zhǔn)。

Philippe Renard解釋說(shuō)：“設(shè)計(jì)師在早期設(shè)計(jì)階段就將IMR系統(tǒng)引入交互設(shè)計(jì)中，從而優(yōu)化全生命周期成本，并用于計(jì)算預(yù)期收益。設(shè)計(jì)的下一個(gè)階段中，測(cè)量的環(huán)境數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)、維修結(jié)果將再次引入到系統(tǒng)中，并由此確定最終的IMR方案。最終結(jié)果是通過(guò)這種低碳技術(shù)降低電力輸送的度電成本。這個(gè)項(xiàng)目是針對(duì)漂浮型海上機(jī)組開(kāi)發(fā)，不過(guò)它也可直接應(yīng)用于固定式的海上機(jī)組及廣泛用于任何類(lèi)型的海上可再生能源電站。”

振華重工獲巴西128艘駁船船體建造合同

2月18日晚間振華重工發(fā)布公告稱(chēng)，公司近日與巴西HDB（Hidrovias Do Brasil）公司旗下Girocantex Sociedad Anonima公司簽署總計(jì)128艘鐵礦石駁船的建造合同，合同總價(jià)約為1.14億美元，折合人民幣約7.11億元。預(yù)計(jì)將于2013年至2014年間分批交貨。此次訂單是振華重工截止目前為止簽訂的最大規(guī)模的船體制造合同。根據(jù)合同要求，振華重工將提供包括鐵礦石駁船的設(shè)計(jì)、建造，以及完成運(yùn)輸卸船交貨的服務(wù)。該批駁船主要用于HDB與巴西淡水河谷簽訂的25年運(yùn)輸業(yè)務(wù)。

The Loading Approaches of Bolt Pre-tightening Force

LENG Jun
(Navy Representative Office of NO.704 research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

The precise loading approaches of the bolt pre-tightening are of great importance to the stress analysis of the bolt and the suffered-force analysis characteristic of the blot join discreteness.The leaf root bolt of the controllable pitch propeller oar is taken as example.The calculating model is constructed by finite element software; the simulating analysis is applied in the loading approach of the bolt pre-tightening force, the result shows that both of the two approaches could simulate the bolt pre-tightening effectively.

bolt pre-tightening force; loading approach; finite element analysis

TH16

A

冷駿（1976-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶輪機(jī)工程。