塑性變形下高強(qiáng)度鋼制配合螺紋應(yīng)力特性及等強(qiáng)度牙高研究

曾娟

（成都市技師學(xué)院，成都 610000）

塑性變形下高強(qiáng)度鋼制配合螺紋應(yīng)力特性及等強(qiáng)度牙高研究

曾娟

（成都市技師學(xué)院，成都 610000）

本文以某試驗(yàn)臺(tái)上所用高強(qiáng)度配合螺紋為研究樣本，從理論上對(duì)配合螺紋的載荷分布特性、配合螺紋的變形協(xié)調(diào)方程進(jìn)行推導(dǎo)研究；同時(shí)，利用有限元法計(jì)算并分析了高強(qiáng)度配合螺紋在塑性變形下的應(yīng)力分布特性，并對(duì)配合螺紋齒高參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為螺紋聯(lián)接應(yīng)用于工程實(shí)際提供了重要理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

配合螺紋應(yīng)力分布塑性變形結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元

1緒論

實(shí)際的工程實(shí)驗(yàn)表明，在聯(lián)接載荷的作用下，由于聯(lián)接螺紋配合段的螺紋牙會(huì)產(chǎn)生變形，這就使得載荷會(huì)在螺紋配合段的各扣之間重新分配。這樣，結(jié)構(gòu)就會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的應(yīng)力集中在聯(lián)接載荷作用下出現(xiàn)大大低于正常工作壽命的情況下發(fā)生疲勞斷裂。上述現(xiàn)象在根本上制約了螺栓在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)或超高強(qiáng)度方向的應(yīng)用與發(fā)展。

目前，對(duì)螺紋連接強(qiáng)度的研究主要有實(shí)驗(yàn)法、解析法和有限元法。在國(guó)內(nèi)，有限元法應(yīng)用于螺紋聯(lián)接的分析范圍也比較廣泛，從螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的配合受力狀態(tài)到螺紋聯(lián)接在預(yù)緊力作用下逐漸旋緊的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程響應(yīng)、螺紋聯(lián)接的疲勞強(qiáng)度分析計(jì)算等諸多螺紋聯(lián)接的研究方向都有做過(guò)深入分析。

2有限元模型的建立

本文所述聯(lián)接螺紋的聯(lián)接方式為2顆螺栓對(duì)稱布置，其聯(lián)接螺紋相對(duì)較少且承受載荷較大，螺紋的規(guī)格為M36，配合螺紋牙數(shù)設(shè)計(jì)為18個(gè)螺紋牙。在設(shè)計(jì)初期，采用傳統(tǒng)螺紋聯(lián)接的理論計(jì)算時(shí)，存在較大安全系數(shù)，能夠滿足工程使用。但在試驗(yàn)進(jìn)行幾百次后，兩顆螺栓幾乎在同時(shí)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

采用在ANSYS軟件中直接建模的辦法構(gòu)建聯(lián)接螺紋的平面軸對(duì)稱二維模型。選擇分析單元Plane183高精度單元作為離散和分析模型的計(jì)算單元。在完成網(wǎng)格離散后，再在ANSYS軟件中添加接觸對(duì)Contact Pair，以使得內(nèi)外螺紋實(shí)現(xiàn)“聯(lián)接”。

下面對(duì)配合螺紋模型進(jìn)行分析計(jì)算：聯(lián)接螺紋中，外螺紋承受沿軸線方向的拉載荷F，其大小為 350KN；邊界條件為位移約束，施加在內(nèi)螺紋的底部，在實(shí)際工程中，該處為與其他相配部件采用焊接的連接方式，因此在本文進(jìn)行分析計(jì)算中，采用在X、Y兩個(gè)坐標(biāo)方向上均將其位移約束限制。

利用有限元對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，聯(lián)接螺紋的應(yīng)力云圖如圖1所示。

其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為最大應(yīng)力946.07MPa，位于內(nèi)螺紋第一扣根部。由于兩者作用載荷的大小不同，其應(yīng)力值不具有對(duì)比性。在此對(duì)比兩者的應(yīng)力分布特性，并通過(guò)對(duì)比說(shuō)明在塑性變形下聯(lián)接螺紋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

（1）整體應(yīng)力分布趨勢(shì)對(duì)比。將兩者的應(yīng)力云圖對(duì)比如圖2所示。

圖1聯(lián)接螺紋的應(yīng)力云圖

圖2彈性變形下聯(lián)接螺紋的位移圖

圖2中，a）圖為發(fā)生塑性變形的螺紋應(yīng)力云圖；b）圖為未發(fā)生塑性變形的螺紋應(yīng)力云圖。從整體上來(lái)看，兩者存在相同的應(yīng)力特性：兩者的內(nèi)外螺紋均是配合的前兩扣（幾扣）應(yīng)力較大，而在螺紋配合的中間段則應(yīng)力較小，同時(shí)螺紋牙的承載也小得多。外螺紋高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在聯(lián)接螺紋的始端，內(nèi)螺紋高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在與外螺紋高應(yīng)力對(duì)應(yīng)的另一端，這主要是由于聯(lián)接螺紋的載荷和邊界條件所引起。

（2）螺紋牙根部應(yīng)力沿路徑的應(yīng)力曲線對(duì)比。下面沿軸向?yàn)槁窂椒较颍瑥纳现毕伦x取內(nèi)、外螺紋的齒根應(yīng)力，并以配合螺紋的扣數(shù)排序?yàn)闄M坐標(biāo)，得出沿該路徑上各螺紋牙根部處由最大應(yīng)力構(gòu)成的曲線，如圖3所示。

圖3聯(lián)接螺紋沿路徑的應(yīng)力曲線

圖3中，內(nèi)螺紋曲線、外螺紋曲線是指塑性變形下的應(yīng)力曲線；而內(nèi)螺紋2曲線、外螺紋2曲線是指未發(fā)生塑性變形下配合螺紋的應(yīng)力曲線。

從這兩組曲線對(duì)比中可以看出：未發(fā)生塑性變形下配合螺紋的應(yīng)力沿各扣分布的曲線與理論計(jì)算保持一致，外螺紋在聯(lián)接處第一扣最大，往后逐漸減小；內(nèi)螺紋則從另外一個(gè)方向，從第一扣最大，往后逐漸減小，當(dāng)處于5扣之后，螺紋受力就非常小。在塑性變形下的配合螺紋，受力大的前端幾扣的螺紋牙數(shù)較未發(fā)生塑性變形的要多2～3扣。

（3）對(duì)比與分析結(jié)論。由其計(jì)算結(jié)果可以看出，在發(fā)生塑性變形下的配合螺紋，其最大塑性變形仍然發(fā)生在第一扣根部；同時(shí)，正是由于這一原因，導(dǎo)致配合螺紋的應(yīng)力重新分配，使得螺紋結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不再發(fā)生在第一扣；而最大應(yīng)力向后面幾扣轉(zhuǎn)移，但仍只是部分配合螺紋承受主要載荷。

3等強(qiáng)度螺紋牙高優(yōu)化

在載荷作用下，聯(lián)接螺紋的配合段各扣之間能夠等強(qiáng)度分配載荷是螺紋設(shè)計(jì)的最佳聯(lián)接方式。當(dāng)然，這并不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇嬖诩庸ぶ圃斓碾y度和實(shí)現(xiàn)螺紋擰緊裝配的難度。如通過(guò)改變螺紋牙的牙型角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外螺紋接觸力的大小傳遞，從而從理論上可以達(dá)到使各扣之間的載荷平衡分配，但由于配合螺紋是周向旋轉(zhuǎn)擰緊的，改變牙型角會(huì)導(dǎo)致螺紋不能正確旋合。

在Workbench軟件中，在幾何模塊中將H1、H2、H3設(shè)為優(yōu)化參量，同時(shí)利用Goal Driven Optimization模塊對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。采用列表的方式將優(yōu)化結(jié)果顯示見(jiàn)表1。

優(yōu)化結(jié)果中，提供了三種最優(yōu)的優(yōu)化變量參考值，其中的★表示優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化參量目標(biāo)的接近度，★越多表示越接近。從優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果上看，A組的優(yōu)化結(jié)果更佳。

表1基于最小應(yīng)力差目標(biāo)的候選設(shè)計(jì)結(jié)果表

按標(biāo)準(zhǔn)螺紋的參數(shù)計(jì)算：螺紋的螺距為4mm，以螺紋牙根部倒角底部至螺紋牙頂部的高度為3.47mm。而優(yōu)化計(jì)算后，在滿足前面三扣應(yīng)力盡可能相等同時(shí)應(yīng)力最小的情況下，第一扣的高度值為2，第二扣的高度值為2.03，第三扣的高度值為2.17。

從優(yōu)化結(jié)果來(lái)看，在發(fā)生塑性變形下的螺紋高度，要使得前面三扣螺紋牙根部的應(yīng)力最低且相等，那么就要使得第二扣的牙高稍比第一扣螺紋牙高；第三扣與第一扣之間的斜率為0.035。

4結(jié)論

通過(guò)本論文的研究與分析，深入闡述了高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在螺紋聯(lián)接中且塑性變形下的應(yīng)力特性；從實(shí)現(xiàn)螺紋的制造、裝配的實(shí)際工程價(jià)值意義出發(fā)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)所求取的塑性變形下螺紋牙根部應(yīng)力等強(qiáng)度牙高，為高強(qiáng)度螺紋在塑性變形下的工程應(yīng)用起到了一定的研究作用，為螺紋聯(lián)接應(yīng)用于工程實(shí)際提供了重要理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

［1］秦大同，謝里陽(yáng).現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)？單行本：連接件與緊固件［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2013，03.

［2］陳守俊，高連新，張毅，安琦.具有局部牙型誤差的油套管螺紋聯(lián)接受力分析［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，36（6）：843-851.

Study on Stress Characteristics of High Strength Steel and High Strength Teeth in Plastic Deformation

ZENG Juan
（Chengdu technician college，Chengdu 610000）

This paper took a test rig used high strength with thread as the research sample，from the theory of with the thread load distribution characteristics，mating threads the deformation compatibility equation of paper；at the same time，using the finite element method for the computation and analyzes the high strength mating threads on plastic deformation underthe stress distributioncharacteristics and optimizationdesignofthethreadtoothheightparametersofthe complexes.Itprovidestheimportanttheoreticalbasisanddesign reference for application of threaded connection in engineering

mating thread，stress distribution，plastic deformation，structural optimization，finite element method