甄紅亮
東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽 618000
高強度螺栓是風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)中最重要的聯(lián)接方式,其強度直接關(guān)系到整個機組運行的穩(wěn)定性和安全性。螺栓合理預(yù)緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和高疲勞性能。目前在風(fēng)電行業(yè)中使用最廣泛的是扭矩法,扭矩法通常采用力矩扳手將螺帽擰緊,是預(yù)緊螺栓最通用的方法,由于它簡單、方便、易用,使用非常廣泛。但由于摩擦系數(shù)不穩(wěn)定,預(yù)緊力離散性較大,并且使聯(lián)接螺栓受到額外的扭矩和彎矩作用。目前在風(fēng)電機組中開始使用拉伸法對螺栓進行預(yù)緊,拉伸法的優(yōu)點是:在預(yù)緊過程中沒有扭矩產(chǎn)生,不需考慮摩擦的影響,工藝過程容易控制,最終獲得的拉伸力精度較高。
拉伸法先通過外力使螺栓伸長,再擰緊螺母,待去除外力之后,即可使聯(lián)接保證所需的預(yù)緊力。拉伸法根據(jù)螺栓伸長的方式不同又可分為溫度拉伸法和液壓拉伸法兩種。目前最常用是液壓拉伸法。在風(fēng)電領(lǐng)域,風(fēng)電螺栓聯(lián)接大都設(shè)定較高的目標(biāo)夾緊力,其產(chǎn)生的應(yīng)力為螺栓屈服極限的70%-80%,為了獲得目標(biāo)的夾緊力, 在螺栓拉伸過程中普遍存在“超拉”現(xiàn)象。為保證螺栓安全必須對所需要的操作拉力進行校核,以指導(dǎo)正確施工。
隨著有CAE技術(shù)的發(fā)展,可以采用CAE軟件對螺栓的預(yù)緊過程進行精確模擬計算。目前溫差法是最常用的方法,但在溫度載荷的施加過程中也存在一些問題,如,在施加溫度載荷時忽略了部分螺栓變形。結(jié)合風(fēng)電塔架法蘭聯(lián)接的具體實例,使用有限元(Nastran)軟件進行分析,以校核某型螺栓的施工拉力是否合理,并通過對比確定溫度載荷的合理施加方法。
在整個預(yù)緊過程中,螺栓與被聯(lián)接件的變形過程如圖1所示。
圖1 螺栓聯(lián)接在拉伸預(yù)緊過程中的受力與變形過程
(1)螺栓與法蘭處于自然狀態(tài):如圖1(a)所示
(2)拉伸過程:隨著拉伸器壓力的升高,螺栓到軸向力F而伸長,在拉伸過程中螺母的位移為δ1,由于法蘭受壓而產(chǎn)生變形,位移量為δ2
(3)擰緊螺母過程:保持拉伸力不變,將螺母旋至與法蘭表面接觸,如圖1(c)所示。螺母的行程為δ1,螺栓的實際變形量為δ1-δ2。
(4)去除拉伸力:螺栓與法蘭在協(xié)調(diào)變形后達到平衡,螺栓殘余預(yù)緊力P即為所需預(yù)緊力。
(5)溫差法原理:溫差法是利用物質(zhì)熱脹冷縮的原理。溫度降低將引起物體收縮變形,結(jié)構(gòu)的變形受到約束,就會產(chǎn)生內(nèi)部拉力。因此可以采用此法來對螺栓施加預(yù)緊力。其基本思想是:在螺栓上施加一個負(fù)的溫度載荷,假定螺栓最初安裝的聯(lián)接件上不產(chǎn)生預(yù)緊力,當(dāng)螺栓上作用有負(fù)的溫度載荷(假定初始溫度為0)其他構(gòu)件溫度不變,這時螺栓必然收縮,受到被聯(lián)接件的約束,最終達到協(xié)調(diào)變形從而完成預(yù)緊載荷的施加。由材料的熱膨脹性能可知:
其中,ΔT為相對于初始溫度時的螺栓上作用的溫度載荷。即:
為不影響計算一般將螺栓的初始溫度T0=0a℃,則
某型風(fēng)電塔架基礎(chǔ)法蘭螺栓模型如圖2所示,法蘭螺栓為周期對稱結(jié)構(gòu),為了便于研究,可先取整個結(jié)構(gòu)的1/130作為研究對象,模型包角為5.5。
螺栓:M48x360-10.9
螺栓數(shù)量:100
預(yù)緊力:F=928KN有限元模型
對該螺栓聯(lián)接,采用三維實體單元HEXA對螺栓和法蘭進行單元劃分。有限元模型如圖3所示。在模型數(shù)據(jù)見表1。
圖2
圖3
為對后面的分析提供分析依據(jù),現(xiàn)在用拉伸法來模擬螺栓在預(yù)緊過程時的逆過程,即在已經(jīng)存在預(yù)緊載荷的螺栓端部施加一個軸向拉力,隨著拉力的增加,螺母與法蘭間的接觸力會逐漸減小,當(dāng)接觸力恰好為0時對應(yīng)的軸向拉力即為螺栓實際施工時的操作拉力[1]。具體過程如下:
首先在螺栓上施加一個預(yù)緊載荷P=928KN,經(jīng)計算可知螺栓桿中部對應(yīng)的應(yīng)力值為512.162MPa(見圖5)。
表1 有限元模型數(shù)據(jù)表
在螺栓端部施加軸向拉力載荷F(見圖4)。通過高級非線性靜態(tài)分析可以求得,當(dāng)軸力F=1018KN時,螺母與法蘭的接觸力正好為0,此時螺栓桿中心應(yīng)力值為562.584MPa。(見圖6)。
圖4
圖5
圖6
表2 螺栓與被聯(lián)接件變形量
表2為螺栓聯(lián)接在軸向拉力F=1018KN作用時的變形結(jié)果,位移云圖如圖8所示。
圖8
方法1:根據(jù)拉伸變形結(jié)果分別計算螺栓和被聯(lián)接件變形的溫度載荷。由公式(3)可計算螺栓的溫度載荷:
法蘭的溫度載荷為:
將計算出的負(fù)溫差(4)、(5)分別施加到螺栓和被聯(lián)接件上,由于螺母與法蘭間為接觸單元,最終兩者會因協(xié)調(diào)變形達到平衡,此時螺栓剩余的預(yù)緊力就是實際預(yù)緊力。計算結(jié)果見圖9,螺栓桿中部的計算應(yīng)為:342.404MPa,與此對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力為:619.6KN。
圖9
方法2:將螺母在到拉伸作用力時的位移換算成溫度載荷并施加到螺栓上。螺母位移:ΔL=δ1=0.887,由(3)可得:
為不影響計算,將法蘭的溫度載荷設(shè)為0℃。圖10為只施加溫度載荷時的應(yīng)力分布圖,螺栓桿中部的應(yīng)力值為:523.314MPa,對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力為:947KN。與實際螺栓預(yù)緊載荷P=928KN時對應(yīng)的螺栓應(yīng)力較為接近,誤差為2%,可以滿足實際工程的施工需要[2-3]。
圖10
從上面的分析結(jié)果可以看出,方法1所得到的螺栓應(yīng)力偏差較大,主要原因是當(dāng)對法蘭施加溫度載荷時,法蘭在溫度載荷的作用下主動收縮變形,而在法蘭的變形過程實為法蘭在螺栓強迫作用下的協(xié)調(diào)變形過程,所以所得到的結(jié)果存在很大的偏差。方法2所得到的螺栓預(yù)緊力偏差較小,通過上述實例對比,可知在使用溫差法模擬螺栓預(yù)緊載荷時,正確的施加載荷是保證計算結(jié)果與實際結(jié)果相符合的重要保證,也是提供操作載荷的重要依據(jù)。在特殊工況下仍具有相當(dāng)實用的價值,如在螺栓預(yù)緊分析案例中容易收斂。