基于ABAQUS的大型重載螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

基于ABAQUS的大型重載螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

應(yīng)用ABAQUS對大型重載螺紋的應(yīng)力進(jìn)行了分析，并與結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的螺紋應(yīng)力進(jìn)行了對比。螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，顯著降低了螺紋牙根處的應(yīng)力值，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)切除部分螺紋牙材料這一螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是可行的，該方法可以為相關(guān)螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

ABAQUS；重載螺紋；應(yīng)力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

螺紋連接是機(jī)械制造中應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)械式連接方式，它不僅通過標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了互換性，便于拆裝，而且連接力大。隨著機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和精度的要求越來越高，螺紋的應(yīng)力分析成了一種必然的要求。有關(guān)資料表明，在大型或者特大型的機(jī)械裝備中，因螺紋連接導(dǎo)致裝備失效的故障率高達(dá)20%，本文研究的螺紋連接的螺桿直徑達(dá)220 mm，屬于大型重載螺紋連接，因此分析這種螺紋的應(yīng)力是十分必要的。

大型通用有限元分析軟件ABAQUS應(yīng)用范圍廣泛，可以解決復(fù)雜的非線性問題，具有強(qiáng)大的求解器，在計(jì)算過程中可以自動(dòng)調(diào)整增量步的大小，使計(jì)算結(jié)果更加精確。本文應(yīng)用ABAQUS對重載螺紋連接的應(yīng)力進(jìn)行了分析，并與結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的螺紋應(yīng)力進(jìn)行了對比。

1 螺紋連接數(shù)值模擬

本文模擬的螺紋連接為一個(gè)液壓缸活塞桿與耳座之間的螺紋連接，活塞桿尾端是外螺紋部分，耳座部分是內(nèi)螺紋部分。本文模擬的過程是液壓缸回程過程，該過程可以看作勻速過程，因此，螺紋的應(yīng)力應(yīng)變分析屬于靜力分析?；钊麠U直徑為220 mm。耳座與工作機(jī)構(gòu)采用銷釘連接，為簡化計(jì)算，采用1/4模型計(jì)算，如圖1所示，在1/4模型中可以看到清晰的螺紋連接狀態(tài)。

圖1 螺紋連接計(jì)算模型Figure 1 Calculation model of thread connection

螺紋材料采用高強(qiáng)度合金鋼，彈性模量為208 GPa，泊松比為0.3。在活塞桿回程過程中，需要定義兩個(gè)接觸對。其一是內(nèi)外螺紋連接的相互接觸的接觸對，雖然定義為一組接觸對，為了使計(jì)算結(jié)果更精確，這組接觸對實(shí)際上分為很多組表面的接觸，在ABAQUS接觸設(shè)置中需要分別定義；其二是耳座與銷釘?shù)慕佑|對，這個(gè)接觸對為一組內(nèi)外圓柱面的接觸對。面與面直接的摩擦因素設(shè)為0.1，接觸對設(shè)置情況如圖2所示。

因?yàn)椴捎?/4模型進(jìn)行計(jì)算，分別在兩個(gè)對稱面加載兩個(gè)對稱約束，活塞桿受到一個(gè)軸向的拉力，采用截面法計(jì)算某一截面的拉應(yīng)力，考慮到圣維南原理，該截面的位置應(yīng)該與活塞桿螺紋起始位置的距離大于一到兩個(gè)斷面直徑的距離。銷軸兩端面施加固定約束。我們非常關(guān)心的是螺紋牙的應(yīng)力狀態(tài)，在劃分網(wǎng)格時(shí)，螺紋連接處適當(dāng)加密網(wǎng)格，如圖3所示。網(wǎng)格劃分完畢后，提交計(jì)算。

圖2 接觸狀態(tài)Figure 2 Contact status

2 計(jì)算結(jié)果分析與螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

2.1 螺紋應(yīng)力分析

圖3 網(wǎng)格劃分Figure 3 Mesh generation

圖4 Mises等效應(yīng)力Figure 4 Mises equivalent stress

圖5 最大主應(yīng)力Figure 5 Maximum main stress

螺紋連接的破壞多發(fā)生于螺母中，所以我們更加關(guān)注螺母的受力狀態(tài)，不僅關(guān)注等效Mise應(yīng)力，還有最大主應(yīng)力。圖4和圖5分別為螺母螺紋的等效Mise應(yīng)力和最大主應(yīng)力變化圖。從圖中可以看出，等效應(yīng)力的最大值為610.2 MPa，在螺母螺紋的底部，且在螺紋的牙根部位；最大主應(yīng)力為692 MPa，在螺母螺紋的最頂部。選用的材料為高強(qiáng)度合金鋼，應(yīng)力均在許用應(yīng)力之內(nèi)。

2.2 螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與計(jì)算結(jié)果對比

基于前幾個(gè)螺紋牙等效應(yīng)力較大，修改前幾個(gè)螺紋牙的形狀，從螺紋牙受力較大一端上數(shù)第7個(gè)螺紋牙開始，以螺母中心軸線為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)切除360°，切除掉螺紋牙的部分材料。旋轉(zhuǎn)切除線與軸線成一個(gè)角度，角度分別為3°、4°、5°、6°和7°，圖6所示旋轉(zhuǎn)切除線與軸線為5°時(shí)修改前和修改后螺紋牙形對比情況。

(a)修改前(b)修改后

圖6 修改前后牙形對比
Figure 6 Comparison of thread forms before and after modification

結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，按照前述同樣的方法設(shè)置邊界條件和加載約束，然后提交計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果，Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力如表1所示。

表 1 螺紋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比Table 1 Comparison of thread stress calculation results

計(jì)算結(jié)果表明，最大主應(yīng)力的位置始終保持不變，都在螺母頂部的螺紋牙根處，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化為4°時(shí)，最大主應(yīng)力降低為641.8 MPa。5種結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況的Mises應(yīng)力數(shù)值雖然均大于未結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)的應(yīng)力值，但應(yīng)力最大位置均轉(zhuǎn)移到對應(yīng)螺紋的牙頂處，如圖7和圖8所示，且對應(yīng)牙根處的應(yīng)力值均小于550 MPa，對于螺紋的破壞主要是指由于螺紋牙根受到過大的應(yīng)力而產(chǎn)生的螺紋牙變形過大甚至斷裂的一類現(xiàn)象，所以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化為4°時(shí)，對應(yīng)牙根處兩類應(yīng)力值均小于未結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)的情況。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化4°時(shí)Mises等效應(yīng)力圖Figure 7 Mises equivalent stress at 4° modification

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化4°時(shí)最大主應(yīng)力圖Figure 8 Maximum main stress at 4° modification

3 結(jié)論

(1)通過對螺紋連接未結(jié)構(gòu)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，證明了以螺紋中心線為旋轉(zhuǎn)軸線，旋轉(zhuǎn)切除部分螺紋牙材料這一結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的可行性。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，顯著降低了螺紋牙根處的應(yīng)力值。

(2)本文中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以為螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究提供一定的參考。

[1] 王勇勤,林秉敬,嚴(yán)興春,等.165 MN自由鍛造油壓機(jī)組合梁強(qiáng)度分析研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(5):178-180.

[2] 徐格寧,馮曉蕾,陶元芳,等.邊界條件對機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果的影響[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2010(2):60-64.

[3] 黃小光,韓忠英.基于ABAQUS的壓力容器有限元接觸分析[J].石油化工設(shè)備,2011(2):35-39.

[4] 趙增耀.有限元分析在工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[D].長安大學(xué),2009.

[5] 張彩芬.工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限元分析的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012(7):142-144.

編輯 陳秀娟

Optimization of Large Scale and Heavy Load Screw Thread Structure Based on ABAQUS

Tang Yue,Men Zhengxing,Hao Wei,Yuan Pinjun,Li Bin

ABAQUS is used to analyze the stress of large scale and heavy load thread,and it is compared with the stress of optimized thread.The stress value at the root of thread has been significantly reduced after optimizing the thread structure.That rotatively cutting the partial material of thread tooth as optimization method is feasible,and it can provide reference for the theoretical and experimental study of the related thread structure optimization technology.

ABAQUS; heavy load thread; stress; structure optimization

2016—11—23

唐越(1989—)男，助教，工學(xué)碩士。主要研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析，流體力學(xué)模擬與仿真分析，機(jī)械幾何量檢測方面的研究和應(yīng)用。

TH131.3

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