螺栓與法蘭連接的接觸分析

(山東建筑大學(xué) 山東 濟南 250100)

一、引言

目前各種研究機構(gòu)對接觸進行研究大多采用兩種常用的方法：有限元法以及理論解析法。但是由于理論解析法對于結(jié)構(gòu)進行了一定的簡化，對于許多的非線性因素選擇了忽略，而法蘭盤在工作狀態(tài)下，螺栓與被緊固零件共同承受交變載荷，尤其是在高壓工作狀態(tài)下的螺栓，同時承受預(yù)緊力、壓力、扭矩和彎矩的共同作用[1]。因此，在對采用螺栓連接的法蘭盤進行設(shè)計之初，采用合理的方法進行準(zhǔn)確的分析計算，這對于保障設(shè)備的安全運行、提高產(chǎn)品的經(jīng)濟性具有重要的意義。

二、法蘭盤裝配體建模

采用ansys對其建模，為了方便建模分析同時不降低準(zhǔn)確性，對模型進行合理簡化，考慮到法蘭盤整體具備對稱性，將法蘭盤與管件做成一體，保留法蘭盤的內(nèi)倒角等效應(yīng)力的集中部位，建立連接部位的實體螺栓模型，為利于觀察，建立1/4法蘭盤裝配體，如圖1,所示共有23966個節(jié)點，19699個單元。

表1 法蘭盤各部位材料參數(shù)

三、三維實體模型的參數(shù)設(shè)置

在保證模擬結(jié)果符合計算要求的基礎(chǔ)上，盡量減少不必要的計算工作量，主軸聯(lián)軸螺栓強度和被連接圓盤的接觸狀態(tài)是分析重點，因此對其劃分網(wǎng)格之時螺栓單元控制在30mm，而對于法蘭盤以及密封蓋控制在60mm。螺栓連接結(jié)構(gòu)與法蘭盤均采用Solid185六面體實體單元劃分，該元素用來模擬 3 維實體，8個節(jié)點定義，每個節(jié)點 3 個自由度：X、Y、Z方向，具有塑性，超彈性，應(yīng)力強化，徐變，大變形，大應(yīng)變能力，可用來模擬幾乎不能壓縮的次彈性材料和完全不能壓縮的超彈性材料的變形，劃分網(wǎng)格后的圖形如圖1。

四、設(shè)置邊界條件以及施加載荷

建立螺栓的預(yù)緊單元，一般是在螺桿劃分單元的基礎(chǔ)之上對其施加預(yù)緊單元prest179,用該單元模擬螺栓預(yù)緊力效果，此種方法的優(yōu)點在于不需要預(yù)先定義，但是為了方便建立以及容易控制預(yù)緊單元，本文采用psmesh命令預(yù)先定義的方式定義預(yù)緊單元。由于螺栓、螺母以及連接構(gòu)件之間的接觸行為屬于典型的非線性接觸問題，在有限元中采用targe170/targe174模擬這種摩擦接觸行為，接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.15，在此基礎(chǔ)之上建立接觸面，然后在接觸面上施加目標(biāo)單元以及接觸單元使非線性迭代收斂。

圖1 劃分網(wǎng)格后的模型

法蘭盤連接結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊載荷應(yīng)該使法蘭盤的墊片應(yīng)達到足夠的預(yù)緊密封比壓，計算預(yù)緊載荷G為：

其中為墊片預(yù)緊力作用中心圓直徑；b為墊片有效密封寬度；y為預(yù)緊密封比壓，本案例中，y=128MPa；為接觸面傾斜角；為摩擦角。

五、計算結(jié)果及分析

利用載荷工況組合原理，將第二載荷步計算結(jié)果與第三載荷步計算結(jié)果進行疊加組合。法蘭連接部位在螺栓預(yù)緊力和最大工作壓力載荷共同作用下的計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力圖

該主軸連軸螺栓的最大等效應(yīng)力為385.27MPa，發(fā)生在法蘭盤與筒體連接處的螺栓孔與螺栓頭接觸面交線處，這是由于孔形狀突變所引發(fā)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

對比有限元分析和理論分析結(jié)果可知，無論是螺栓的拉應(yīng)力還是剪應(yīng)力，有限元分析的結(jié)果都要比理論分析值大，這是因為理論分析計算是建立在許多理論假設(shè)的基礎(chǔ)上進行的，一般認(rèn)為，各個連接部位螺栓的承載是均勻分配的，所以計算得到的結(jié)果趨于保守。利用有限元方法計算剪切應(yīng)力，能夠綜合考慮螺栓預(yù)緊力和剪切力的作用；而在理論計算時，剪切作用和預(yù)緊力是分別考慮的，這就導(dǎo)致理論結(jié)果遠小于分析結(jié)果。因此，應(yīng)用有限元計算方法得到的結(jié)果對指導(dǎo)設(shè)計更具有參考價值。

六、結(jié)論

本文根據(jù)某型號的水輪發(fā)電機主軸聯(lián)軸螺栓進行實體建模，并進行了載荷數(shù)據(jù)分析，得到的受力結(jié)果接近其工作過程中的真實受力情況。最終數(shù)據(jù)結(jié)果表明，利用有限元的方法可以有效的模擬螺栓連接的受力特征，可以得到較為真實的螺栓連接效果，計算結(jié)果較為可靠。此外根據(jù)計算結(jié)果，可以判斷其是否安全，同時結(jié)合其他影響因素，確定連接部位螺栓的規(guī)格以及數(shù)量，最終降低產(chǎn)品成本。