橫向載荷作用下螺栓連接松動過程仿真研究

江文強(qiáng)，墨 澤

(華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003)

1 引言

常見的螺栓連接采用普通螺栓抗剪連接，由于螺栓預(yù)緊力較小，且連接件與被連接件之間存在構(gòu)造間隙，因此被連接件之間極易發(fā)生相對滑動。針對螺栓連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，學(xué)者們對螺栓連接的滑移[1]、連接剛度[2]以及不同工況下螺栓連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度[3-5]等進(jìn)行了研究。然而這些研究主要針對螺栓連接節(jié)點(diǎn)的靜力學(xué)性能，即使實際載荷工況為動態(tài)載荷時也常常將其等效為靜力載荷來處理[6]，顯然有時這不能代表動態(tài)載荷的全部作用效果。

橫向載荷作用下螺栓連接的松動常常表現(xiàn)為螺母與螺栓桿的相對轉(zhuǎn)動。在相同的預(yù)緊力作用下，擰緊螺母所需的力矩大于螺母松退時的力矩，從而不少學(xué)者認(rèn)為該力矩差是造成螺栓連接松動的原因[7-8]。同時，螺栓在動態(tài)載荷下接觸界面之間的磨損[9]以及螺紋面摩擦副之間的局部變形[10-11]也會導(dǎo)致 螺栓連接的松動。于是部分學(xué)者針對螺栓松動的影響因素和螺栓松動的臨界載荷進(jìn)行了理論和實驗研究，為螺栓松動的分析提供了相關(guān)參考[12]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，建立考慮螺紋的螺栓連接節(jié)點(diǎn)模型，采用有限元仿真分析的方法，對螺栓連接松動過程進(jìn)行分析，研究影響螺栓連接松動的參數(shù)，揭示其對螺栓松動的影響規(guī)律。

2 螺栓連接節(jié)點(diǎn)有限元模型

如圖1所示，目前研究較多的螺栓連接結(jié)構(gòu)為螺栓連接兩被連接件，即單肢螺栓連接。然而在一些承載較大的主要連接節(jié)點(diǎn)常采用雙肢搭接，此時螺栓連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，螺栓松動對結(jié)構(gòu)的承載往往有較大的影響。

圖1 常見螺栓連接結(jié)構(gòu)

為此，本文根據(jù)雙肢搭接螺栓連接節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)建立了如圖2所示的螺栓連接節(jié)點(diǎn)模型。

圖2 節(jié)點(diǎn)簡化模型

連接板的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，螺栓為6.8級M12×40標(biāo)準(zhǔn)六角螺栓。在有限元分析過程中采用多線性模型模擬實際材料的應(yīng)力應(yīng)變的變化過程。在接觸對設(shè)置上，將螺栓以及中間的連接板設(shè)為接觸面，其余為目標(biāo)面。所有實體模型采用三維20節(jié)點(diǎn)Solid 186單元，其有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

為了分析不同接觸參數(shù)對螺栓連接滑移過程的影響，以常用螺栓接觸摩擦系數(shù)介于0.15～0.25之間作為參考，本文建立了如表1所示的9種模型，分別將螺母與連接板，連接板與連接板，螺栓與螺母以及螺栓桿與連接板的摩擦系數(shù)設(shè)為0.15、0.20、0.25。本文所施加的螺栓預(yù)緊力為25kN。

表1 不同摩擦系數(shù)組合

對螺栓連接節(jié)點(diǎn)左端固定，右端施加位移約束，載荷方向沿圖示x軸正向。為了后續(xù)說明的方便，將左側(cè)螺栓命名為螺栓A，右側(cè)命名為螺栓B。如圖4所示，分析過程中共施加10個周期的循環(huán)位移載荷，為了加載過程保證兩個螺栓能夠受剪，位移幅值設(shè)置為3.3mm。

圖4 位移時程圖

3 螺栓連接松動過程仿真

根據(jù)有限元模型和約束條件對螺栓連接節(jié)點(diǎn)的松動過程進(jìn)行仿真，下面對結(jié)果進(jìn)行討論。

3.1 載荷-變形過程

圖5為9種模型的載荷-位移曲線，可以看出模型5的滑移載荷明顯高于其它模型。對比表1中模型參數(shù)，模型5對應(yīng)的連接板之間的摩擦系數(shù)最大，可見該部位的摩擦系數(shù)越大，滑移載荷也越大。

對比圖5中模型1、2、3可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺栓與連接板間摩擦系數(shù)的增大，載荷-位移曲線變得越加飽滿。對比圖5中模型1、4、5的載荷-位移曲線，可以看出隨著連接板間摩擦系數(shù)的增大，曲線形狀也明顯變得飽滿，且變化程度要明顯大于模型1、2、3?？梢姼淖冞B接板間摩擦系數(shù)對載荷-位移曲線的影響要遠(yuǎn)大于改變螺栓與連接板間的摩擦系數(shù)的影響。對比圖5中模型1、6、7、8、9可以看出，其載荷-位移曲線變化不大，可見改變螺栓與螺母之間、螺栓桿與連接板之間的摩擦系數(shù)對載荷-位移曲線幾乎沒有影響。

圖5 螺栓連接節(jié)點(diǎn)的載荷-位移曲線

如圖6所示為模型1在1s和2s時刻的位移云圖，其它模型計算結(jié)果與此類似，這里不再贅述。圖6(a)可以看出在1s時，中間連接板首先發(fā)生滑移。隨著載荷增大，如圖6(b)，在2s時上下連接板也相繼發(fā)生滑移，螺栓B的位移明顯增加?？梢妼τ陔p剪切螺栓連接節(jié)點(diǎn)，會存在明顯的二次滑移過程。從圖5(a)第一周期的載荷-位移曲線可以看出，第二次滑移的載荷為第一次滑移載荷的2倍。

圖6 位移云圖(模型1)

3.2 螺栓預(yù)緊力變化過程

為了直觀地分析橫向載荷作用下螺栓預(yù)緊力的變化情況，繪制9個模型的螺栓預(yù)緊力隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 螺栓預(yù)緊力時程曲線

如圖7所示，在前期螺栓預(yù)緊力降低較快，后期則呈現(xiàn)出周期性降低的特點(diǎn)，因此可以將螺栓預(yù)緊力的松動過程分為兩個階段來處理。顯然，不同模型螺栓松動的兩個階段變化規(guī)律也不盡相同。與此同時，兩個螺栓的預(yù)緊力變化過程基本一致，所有模型的螺栓預(yù)緊力都是周期性變化的，且變化周期都與外載荷周期相同。以圖7(a)中第一個加載周期為例，在0～2s節(jié)點(diǎn)受拉，隨著橫向位移的增大，螺栓預(yù)緊力逐漸減小；在2s～4s節(jié)點(diǎn)反向受壓，隨著橫向位移逐漸減小，螺栓預(yù)緊力逐漸增大；此后4s～6s節(jié)點(diǎn)繼續(xù)受壓，此時螺栓預(yù)緊力開始減小，當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到橫向位移最小值時，螺栓預(yù)緊力也減小到該載荷周期內(nèi)的最小值；在6s～8s節(jié)點(diǎn)反向受拉，螺栓預(yù)緊力又開始增加，當(dāng)節(jié)點(diǎn)回到原始位置時，螺栓預(yù)緊力也增加到新的峰值。一個循環(huán)周期后螺栓預(yù)緊力的峰值和谷值都逐漸減小，也就是螺栓預(yù)緊力減小，螺栓出現(xiàn)了松動現(xiàn)象。

3.3 螺紋接觸狀態(tài)分析

如圖8所示為螺栓B在0s、2s、4s和6s時刻的螺紋接觸狀態(tài)，分別對應(yīng)了第一個載荷周期內(nèi)的初始、最大拉力、平衡位置以及最大壓力四個狀態(tài)。圖中紅色代表接觸處于附著狀態(tài)，橙色代表滑動狀態(tài)，其上部為螺母支撐面。

圖8 螺母螺紋接觸狀態(tài)(螺栓B)

在0s時節(jié)點(diǎn)處于預(yù)緊狀態(tài)，無橫向載荷作用。此時靠近螺母支撐面的上部螺紋接觸面出現(xiàn)局部滑移，而下部螺紋接觸面依然處于附著狀態(tài)，這會使得螺栓桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。螺栓桿存儲下來的這部分變形能在螺栓松動的初期會快速釋放，使得第一個循環(huán)周期螺栓預(yù)緊力出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象。

在2s時，橫向載荷沿x軸正向，且處于最大拉力狀態(tài)。螺紋靠近支撐面的第一圈螺紋x軸正向側(cè)出現(xiàn)了局部滑移現(xiàn)象；在4s時，節(jié)點(diǎn)回到平衡位置，螺紋無明顯滑移現(xiàn)象；在6s時，橫向載荷沿x軸負(fù)向，且處于最大壓力狀態(tài)。螺紋靠近支撐面的第一圈螺紋x軸負(fù)向側(cè)同樣出現(xiàn)了局部滑移現(xiàn)象。由此可見，在一個載荷循環(huán)過程中，靠近螺母支撐面的螺紋發(fā)生了整體滑移，由此產(chǎn)生的變形以應(yīng)變能的形式存儲起來，并隨著時間的積累逐漸向下部螺紋進(jìn)行擴(kuò)展，從而導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力減小。

4 參數(shù)影響討論

圖9為每個載荷循環(huán)后螺栓預(yù)緊力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。本節(jié)將所有模型分為四組進(jìn)行討論，第一組：模型1、2、3；第二組：模型1、4、5；第三組：模型1、6、7；第四組：模型1、8、9。

圖9 螺栓預(yù)緊力-循環(huán)次數(shù)關(guān)系

通過第一組模型的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺母與連接板之間摩擦系數(shù)的增加，螺栓松動第一階段螺栓預(yù)緊力的衰減速度會增加。在螺栓松動的第二階段，隨著螺母與連接板之間摩擦系數(shù)從0.15增加到0.2，螺栓預(yù)緊力的衰減速度急劇增大，但當(dāng)摩擦系數(shù)超過0.2以后，衰減速度幾乎不再增加。

通過第二組和第四組模型的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著連接板間摩擦系數(shù)或螺栓桿與連接板間摩擦系數(shù)的增加，螺栓松動第一階段螺栓預(yù)緊力的衰減速度略有減小。在螺栓松動第二階段各自的三個模型衰減速度均相差不大。

通過第三組模型的比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著螺紋接觸面之間摩擦系數(shù)的增加，螺栓松動第一階段螺栓預(yù)緊力的衰減速度顯著減小。在螺栓松動第二階段，隨著螺紋接觸面之間摩擦系數(shù)從0.15增加到0.2，螺栓松動現(xiàn)象顯著降低，但當(dāng)摩擦系數(shù)超過0.2以后，其對螺栓松動的影響就顯著減小。

表2所示為循環(huán)加載完成后螺栓的殘余預(yù)緊力及其減小幅度。從表中可以看出，模型2、3的螺栓預(yù)緊力的減小幅度最大，即螺母與連接板之間摩擦系數(shù)對螺栓松動的影響最大。模型6、7螺栓預(yù)緊力的減小幅度最小，即螺栓與螺母之間摩擦系數(shù)的增加使得螺栓預(yù)緊力減小幅度降低。模型1、4、5、8、9的殘余預(yù)緊力差別不大，即連接板之間以及螺栓桿與連接板之間摩擦系數(shù)對螺栓松動影響不大。

表2 循環(huán)結(jié)束后螺栓預(yù)緊力

5 結(jié)論

本文以橫向循環(huán)載荷作用下雙肢搭接的螺栓連接結(jié)構(gòu)為研究對象，建立了節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有限元模型，通過分析研究了不同參數(shù)條件下螺栓的松動特性，主要研究結(jié)論如下：

1)在橫向載荷作用下，雙肢搭接螺栓連接存在兩次滑移現(xiàn)象，連接板之間的摩擦系數(shù)對節(jié)點(diǎn)的載荷-位移曲線影響最大，且該部位摩擦系數(shù)越大，載荷-位移曲線越飽滿。

2)在橫向循環(huán)載荷作用下，第一階段螺栓預(yù)緊力會迅速下降，而第二階段則主要呈現(xiàn)周期性衰減。

3)螺栓預(yù)緊力降低從靠近螺母支撐面的第一圈螺紋開始，并隨著橫向循環(huán)載荷的作用，逐漸向下部螺紋進(jìn)行擴(kuò)展。

4)增大螺母與連接板間摩擦系數(shù)，螺栓松動顯著加快；螺紋接觸面間摩擦系數(shù)的增大對防止螺栓松動有利，會大大降低螺栓預(yù)緊力的衰減速度。連接板間以及螺栓桿與連接板間摩擦系數(shù)對螺栓松動的影響相對較小。