螺栓雙剪試驗有限元分析

李 艷 馮德榮 李召華

1.空軍工程大學(xué)航空機務(wù)士官學(xué)校 航空修理工程系 河南信陽 464000 2.河南航天精工制造有限公司 河南信陽 464000

1 分析背景

螺栓是一種廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備、建筑工程、航空裝備等結(jié)構(gòu)連接部位的重要緊固件[1],其可靠性將直接影響工程設(shè)備的性能。所以,螺栓的剪切性能必須滿足設(shè)計要求。為測試螺栓的剪切性能是否達到設(shè)計要求,需要對螺栓進行大量剪切試驗[2-5]。當(dāng)然,剪切試驗成本高,周期長,而且試驗結(jié)果帶有一定的分散性。相對于試驗法,有限元法成本低,可以直觀看到螺栓在剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。因此,筆者應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件建立螺栓雙剪試驗的有限元模型,動態(tài)模擬螺栓破壞過程,得到螺栓剪切過程中的應(yīng)力、應(yīng)變云圖和剪切力變化曲線,并通過試驗對剪切力進行驗證。

2 有限元建模

螺栓剪切過程中,材料要經(jīng)歷一個復(fù)雜的變形和斷裂過程,涉及彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、損傷與斷裂、計算方法等多學(xué)科內(nèi)容,屬于材料、幾何、邊界條件的多重非線性問題。針對這一問題,筆者應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬螺栓的剪切過程。

2.1 幾何模型

螺栓雙剪試驗中,關(guān)鍵部位為做往復(fù)運動的上刀片、固定在箱體上的下刀片、被剪斷的螺栓。筆者建立螺栓剪切過程三維幾何模型,如圖1所示。其中,上刀片、下刀片的幾何尺寸參考GJB 715.26A—2008[6]標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)置,螺栓的直徑分別為8 mm和14 mm,螺栓的材料為TB8。ANSYS/LS-DYNA軟件建模及分析過程采用的單位為cm、g和μs。

▲圖1 螺栓剪切過程三維幾何模型

2.2 材料模型

相對于螺栓剪斷區(qū)的變形,上刀片和下刀片的變形很小,可視為剛體材料。螺栓選用塑性隨動材料模型[7-9]。塑性隨動材料模型是各向同性和隨動硬化的混合模型,與應(yīng)變率相關(guān)。通過在0(僅隨動硬化)和1(僅同性硬化)間調(diào)整硬化參數(shù)β,來選擇各向同性或隨動硬化。這一模型采用與應(yīng)變率相關(guān)的因子來表示屈服強度σY,為:

(1)

(2)

式中:E為彈性模量,Etan為切線模量。

2.3 單元網(wǎng)格

采用Solid 164實體單元進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。其中,螺栓斷裂位置是需要重點關(guān)注的部位,所以該部位附近的網(wǎng)格需要加密。

▲圖2 螺栓剪切過程模型網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件

上刀片、下刀片和螺栓之間需要定義接觸,將它們之間的接觸類型定義為面面接觸。接觸面之間均存在摩擦,設(shè)定靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)均為0.3。由于下刀片裝在底座中,因此定義下刀片底部表面所有自由度均被約束,其側(cè)表面Z方向自由度也被約束。在ANSYS/LS-DYNA軟件中,需要用一對數(shù)組參數(shù)定義載荷[10-11]。載荷數(shù)組由兩部分組成,一個定義時間,另一個定義載荷值。分析中,施加至上刀片上表面的是一組沿Y方向的位移數(shù)組載荷。

3 分析

筆者主要進行了直徑分別為8 mm和14 mm的兩組螺栓雙剪試驗。以直徑8 mm螺栓為例說明剪切過程中應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況,以及剪切力的變化曲線。

直徑為8 mm螺栓在不同時刻的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。第70步為螺栓即將被剪斷時,第80步為螺栓被剪斷后。第70步,螺栓剪切區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力最大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在剪縫處,離剪切區(qū)越遠,應(yīng)力越小。螺栓被剪斷后,應(yīng)力最大值和即將被剪斷時相差不大,但高應(yīng)力區(qū)明顯變小。高應(yīng)力區(qū)主要是因為螺栓被剪斷部分的斷口不平整,在相對運動過程中相互摩擦所導(dǎo)致的。

▲圖3 直徑8 mm螺栓等效應(yīng)力云圖

直徑為8 mm螺栓在不同時刻的塑性應(yīng)變云圖如圖4所示。螺栓被剪切過程中,斷口處產(chǎn)生的塑性應(yīng)變最大,其值達到失效應(yīng)變值后開始斷裂。在遠離剪切部位的其它區(qū)域,沒有產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

▲圖4 直徑8 mm螺栓塑性應(yīng)變云圖

經(jīng)過試驗,直徑為14 mm螺栓剪切過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律與直徑為8 mm螺栓相似,也是螺栓剪切區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變最大。

直徑為8 mm螺栓剪切時剪切力曲線如圖5所示。由圖5可知,隨著時間的延長,上刀片施加至螺栓的剪切力增大;當(dāng)剪切力增大至78.954 kN時,螺栓被剪斷;螺栓剪斷后,剪切力急劇減小,直至降為零。

▲圖5 直徑8 mm螺栓剪切力曲線▲圖6 直徑8 mm螺栓被剪斷照片

經(jīng)過試驗,直徑為14 mm螺栓剪切過程中剪切力變化規(guī)律與直徑為8 mm螺栓相似,剪切破壞時剪切力的模擬值為233.120 kN。

4 試驗驗證

螺栓雙剪試驗按照GJB 715.26A—2008進行。直徑為8 mm的螺栓被剪斷,照片如圖6所示。直徑為8 mm螺栓和直徑為14 mm螺栓雙剪試驗剪切力測試結(jié)果見表1,兩種螺栓的剪切力平均值分別為80.384 kN和241.954 kN。

表1 螺栓雙剪試驗結(jié)果

將兩種螺栓雙剪試驗剪切力試驗值與模擬值進行對比,相對誤差分別為1.78%和-3.65%,相對誤差的絕對值在4%以內(nèi),說明模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好,滿足工程需要,可采用有限元分析方法進行螺栓雙剪試驗?zāi)M。

5 結(jié)束語

筆者基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件分析了螺栓的雙剪試驗,得出螺栓被剪斷時的剪切力大小及其變化趨勢,對比了有限元分析和試驗數(shù)據(jù),證明了有限元分析的準(zhǔn)確性。

與試驗相比,有限元分析更能直觀反映出螺栓的應(yīng)力及應(yīng)變變化情況,為進一步研究螺栓的剪切性能提供了參考。