螺栓連接設(shè)計分析流程

摘 要： 螺栓連接是機械設(shè)備中最常見的一種連接形式，其廣泛應(yīng)用于航空、鋼結(jié)構(gòu)、汽車和冶金設(shè)備等機械制造行業(yè)中。螺栓能夠?qū)蓚€連接件通過連接的方式連接起來而形成—個整體。因此對螺栓在工作載荷作用下的受力情況進行研究，從而實現(xiàn)提高螺栓安全性、可靠性和延長其使用壽命的目的，能夠更好地發(fā)揮螺栓連接在機械制造行業(yè)的應(yīng)用。本文針對螺栓疲勞斷裂問題進行剖析并提供了運用ANSYS軟件對螺栓進行有限元分析的通用流程供設(shè)計人員參考，為今后設(shè)計出高疲勞強度和高使用壽命的螺栓提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： ANSYS；螺栓螺紋；疲勞斷裂

引言

螺栓作為在機械設(shè)備制造中有著成本低、批量大、互換性強等諸多優(yōu)點的標(biāo)準(zhǔn)件，它即易于拆裝，又調(diào)整方便，而且結(jié)構(gòu)簡單，安全性和可靠性相對較高，是機械設(shè)備制造中最常見的、最不可或缺的連接件之一?；谝陨蟽?yōu)點導(dǎo)致螺栓的應(yīng)用十分普遍。盡管如此，在當(dāng)下幾近成熟的機械生產(chǎn)制造行業(yè)中也仍然會出現(xiàn)螺栓斷裂、磨損等現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)安全事故造成非常嚴(yán)重的損失。

科學(xué)家威爾姆在1980年通過對近200例螺栓失敗的原因進行研究，結(jié)果是疲勞破壞占比50%以上，因此螺栓的主要失效形式之一就是疲勞失效[1]。隨著近些年各類機械設(shè)備的技術(shù)含量不斷提高，螺栓的工作條件也隨之不斷提高，因此這就要求螺栓能夠滿足更高的抗疲勞性能。常見的普通螺紋因為螺紋處承受高強度的軸向拉應(yīng)力，而螺紋根部承載面積小，從而造成了螺紋根部應(yīng)力集中系數(shù)較大，在長時間動載荷作用下工作的螺栓螺紋根部處經(jīng)常發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至斷裂的可能，嚴(yán)重的影響螺栓的強度，這對機械結(jié)構(gòu)和設(shè)備運行安全產(chǎn)生了重大的影響。謝里陽等人[2]利用組合結(jié)構(gòu)法和有限元法分析了標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接的受力情況，得出螺檢連接中各螺紋牙的受力是不均勻的。前三號螺牙所承受的載荷占總載荷的。螺紋牙受力的不均勻性是影響疲勞壽命的一個重要方面，特別是第一號螺紋牙螺紋根部的應(yīng)力集中是最嚴(yán)重的?；谏鲜鲈?，如何緩解螺紋根部應(yīng)力集中程度，提高螺栓強度，成為了機械設(shè)計的一個重要課。

1.螺栓連接的主要參數(shù)：

螺栓的頭部一般為六角形，而底端有螺紋。螺栓連接的方式是將螺栓套上墊圈，再將一端穿過被連接件上的孔，然后把擰緊螺母，最終將被連接件聯(lián)接起來。這種連接方式不需要加工螺紋孔，簡單便捷，在各種重要設(shè)備的緊固連接中獲得廣泛的應(yīng)用，對工程構(gòu)件的可靠性和安全性有著巨大的影響。

在通過螺栓上螺紋的軸線斷面上，螺紋的輪廓形狀稱為螺紋的牙型，包括三角形、鋸齒形、方型和梯形等。不同的螺紋牙型有不同的用途。并由不同的代號表示。一般連接用的螺紋為普通三角牙型螺紋，如圖1所示。牙型為三角形，牙型角60°。普通螺紋分為粗牙和細(xì)牙兩種[3]。一般連接都用粗牙螺紋；當(dāng)螺紋的大徑相同時，細(xì)牙螺紋的螺距和牙型高度比粗牙小，因此細(xì)牙螺紋適用于薄壁零件的連接。

圖1中的d稱為螺紋的外徑，也就是公稱直徑；d1稱為螺紋的內(nèi)徑，常用于螺紋的強度計算；d2稱為螺紋的中徑，常用于螺紋的幾何計算；p稱為螺紋的螺距；n表示螺紋的螺旋線數(shù)目；S稱為螺紋的導(dǎo)程，是沿螺紋上同一條螺旋線旋轉(zhuǎn)一周所移動的軸向距離；ψ稱為螺紋升角，其中tanψ=np/πd2；角α稱為牙型角，是螺紋牙型在軸向截面內(nèi)兩側(cè)邊的夾角；角β稱為牙側(cè)角，是螺紋在軸向截面內(nèi)的牙型側(cè)邊與螺紋軸線垂線之間的夾角。

2.有限元分析流程

對螺栓軸向受力進行有限元分析的流程主要包括以下幾點 ：1、運用ANSYS軟件定義單元類型對螺栓進行建模，建立有限元模型包括定義單元類型、定義材料物性以及定義實常數(shù)、創(chuàng)建幾何模型等，而幾何模型是進行有限元分析的基礎(chǔ)，越接近實體模型分析出的結(jié)果越接近真實情況。利用ANSYS軟件中的經(jīng)典APDL界面參數(shù)化幾何建模功能和菜單操作界面的幾何建模功能可以進行有限元模型的建立。創(chuàng)建的幾何模型主要模擬為以下幾種：①梁單元；②桿單元；③具有標(biāo)準(zhǔn)牙型的環(huán)狀凸緣；④實際尺寸模型。在創(chuàng)建模型時要對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕托薷膩砜刂颇Ｐ偷囊?guī)模，并能夠真實準(zhǔn)確的反映出螺栓的特征，忽略錐度等小特征并進行平面化處理和直線化處理。由于創(chuàng)建的幾何模型是軸對稱模型，因此可以將單元選項設(shè)定為軸對稱模型，并采用面-面接觸的方式模擬螺栓與螺母之間力的相互作用。對螺栓和螺母的力學(xué)性能參數(shù)進行定義，設(shè)置螺栓和螺母的模量和泊松比。定義材料物性和實常數(shù)后采用軸對稱模型對螺栓進行模擬，并對螺栓的幾何模型進行簡化以便對螺栓進行進一步的分析；2、由于研宄的部位是螺紋根部的應(yīng)力受力情況，因此我們對幾何模型進行網(wǎng)格的劃分，并根據(jù)分析需求采用不同的網(wǎng)格劃分方式，對螺栓進行網(wǎng)格的定義與劃分，模擬螺紋根部應(yīng)力集中的情況并進行網(wǎng)絡(luò)檢查，如果出現(xiàn)畸形網(wǎng)格需要對螺紋部分網(wǎng)格進行細(xì)化并重新對螺栓進行網(wǎng)格的定義與劃分，直到?jīng)]有畸形網(wǎng)格出現(xiàn)；3、螺栓承受的載荷在實際工作中一般是軸向的拉伸載荷，為對稱分布，根據(jù)螺栓的實際受力情況和動力學(xué)分析，因此需要對幾何模型進行約束，在完成約束操作后方可進行分析求解；4、對計算設(shè)置初始條件，輸入螺紋的公稱直徑，螺距和螺紋根部弧半徑。根據(jù)結(jié)果對數(shù)據(jù)進行圖表統(tǒng)計處理并進行分析，就可以得出不同螺紋根部的各種指標(biāo)對螺栓螺紋根部應(yīng)力的分布情況，以便對螺栓螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

結(jié)論

螺栓螺紋牙受力的不均勻性是影響疲勞壽命的一個重要因素，本文結(jié)合ANSYS軟件，為螺栓螺紋軸向受力的有限元分析提供了通用計算流程，為設(shè)計人員今后設(shè)計出高疲勞強度和高壽命的螺栓提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]鐘友坤.基于ANSYS軟件的螺栓螺紋軸向受力有限元分析[J].南方農(nóng)機，2017，48（22）：4-6.

[2]謝里陽，徐灝.螺栓受力分析的組合結(jié)構(gòu)法及其疲勞壽命估算[J].機械設(shè)計，1986（04）：15-20+28.

[3]林曉龍. 高強度螺栓的應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)疲勞強度優(yōu)化[D].東北大學(xué)，2012.

作者簡介：王少華（1970-），男，遼寧省沈陽市人，工程師，主要從事隔膜泵產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)工作，中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司技術(shù)管理辦公室。