淺析預(yù)緊力對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響

閆琳 任娜 康建偉 李少敏

摘 要：文章建立了螺栓裝配總成的有限元模型，通過(guò)有限元分析，淺析預(yù)緊力大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響，并與實(shí)際失效件進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明螺栓預(yù)緊力不足，容易引發(fā)斷裂故障。

關(guān)鍵詞：預(yù)緊力；有限元分析；螺栓強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-98-02

Abstract： An finite element analysis is made to show the relationship between pretension and strength of bolt. Research has revealed that pre-tension force directly affects the bolt strength， and bolt will be broken in service with less pretension force.

Keywords： Pretension force； finite element analysis； bolt strength

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-98-02

前言

螺栓連接結(jié)構(gòu)易于組裝和拆卸，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。安裝螺栓時(shí)，必須擰緊螺栓接頭，使連接件在螺栓拉伸時(shí)被壓縮，作用于螺栓的預(yù)加力稱(chēng)為預(yù)緊力[1]。預(yù)緊的目的是加強(qiáng)連接的可靠性和緊湊性[2]。在裝配過(guò)程中，選取合理的預(yù)緊力是保證裝配件長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的必要條件[3]。

空氣懸架系統(tǒng)，減振器通常采用螺栓安裝在氣囊托架上。某載貨車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，該處螺栓發(fā)生斷裂，造成懸架系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

本文采用Hypermesh軟件建立相關(guān)有限元模型，并模擬實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行約束及邊界條件加載，通過(guò)有限元仿真，分析了預(yù)緊力的大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。

1 預(yù)緊力及限位力選取

減振器下安裝點(diǎn)通過(guò)螺栓、螺母安裝在氣囊托架上，如圖1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該螺栓的預(yù)緊力為54000N。在螺栓的實(shí)際安裝及使用過(guò)程中，可能存在預(yù)緊力不足或衰減的情況，因此本文采用兩種工況，分別對(duì)螺栓加載54000N和5400N的預(yù)緊力，來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

當(dāng)懸架系統(tǒng)下跳至減振器限位時(shí)，該螺栓受到35000N的剪切力。

2 有限元分析

2.1 有限元建模

評(píng)估螺栓強(qiáng)度，需要考慮螺栓預(yù)緊力、螺栓螺母和連接件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此螺栓、螺母采用實(shí)體單元建立詳細(xì)的網(wǎng)格模型，如圖2所示。

2.2 模型材料參數(shù)

模型中，螺栓材料為40Cr，材料參數(shù)如表1。

2.3 邊界條件

在減振器下安裝點(diǎn)加載向下的沖擊力，在螺栓上加載預(yù)緊力，螺栓和墊片、螺母之間建立接觸，約束氣囊托架，如圖3所示。

2.4 分析結(jié)果

分別對(duì)螺栓加載54000N和5400N的預(yù)緊力，并對(duì)比螺栓的vonMises應(yīng)力，分析結(jié)果如圖4所示。

螺栓預(yù)緊力為54000N時(shí)，螺栓的最大應(yīng)力為367MPa，低于材料的抗拉強(qiáng)度，螺栓滿足強(qiáng)度要求。

螺栓預(yù)緊力為5400N時(shí)，螺栓的最大應(yīng)力達(dá)到795MPa，應(yīng)力集中明顯，容易引起疲勞破壞。

因此預(yù)緊力不足，會(huì)引起安裝件的相對(duì)錯(cuò)位和晃動(dòng)，進(jìn)而引起螺栓應(yīng)力集中，造成螺栓在工作中剪斷，如圖5所示。

由圖5可以看出，有限元分析結(jié)果與實(shí)際斷裂位置較為吻合，該分析方法可以有效驗(yàn)證螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。

3 結(jié)論

（1）建立了螺栓裝配總成的有限元模型，通過(guò)有限元仿真分析了預(yù)緊力大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響，并與實(shí)際失效件對(duì)比，結(jié)果表明有限元分析結(jié)果與實(shí)際較為吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了有限元模型及邊界條件的合理性。

（2）當(dāng)螺栓預(yù)緊力不足時(shí)，螺栓應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度，發(fā)生破壞；因此，在實(shí)際工作中，足夠的預(yù)緊力時(shí)保證螺栓裝配件穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。

參考文獻(xiàn)

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