螺栓联接的精确建模与有限元分析.docx

螺栓联接的精确建模与有限元分析何竞飞，杨鸣，万闯建(中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083，E-mail:ym_1368@163．com)摘要:螺栓联接以其螺纹螺旋的特殊几何形态而具有独特的力学行为。利用螺纹轮廓数学表达式，得到精确的螺纹螺旋的几何参数。基于有限元软件ANSYS，采用自底向上建模法，建立可实现规则六面体单元网格划分的螺栓联接三维有限元模型。然后分析了一定预紧后的负载分布，结果与传统理论及实验对比表明，基于该精确模型的仿真能提高分析螺栓联接负载分布规律的准确度，与实验结果更为贴近。提出了一种精确、实用构建螺栓联接模型的方法。关键词:螺栓联接;有限元;螺纹螺旋建模;负载分布中图分类号:TH131文献标识码:ADOI:10.13952/j.cnki.jofmdr.2014.0098BoltJointModelingwithAccurateGeometryandFiniteElementAnalysisBasedonANSYSHeJingfei，YangMing，WanChuangjian(KeyLaboratoryofHighPerformanceandComplexManufacturing(CentralSouthUniversity)，Changsha410083，China)Abstract:Distinctivemechanicalbehaviorofboltedjointsiscausedbythehelicalshapeofthreadgeometry．Accurategeometricparametersofthespiralscrewwereobtainedbythethreadprofilemathematicalexpression．BasedonthefiniteelementsoftwareANSYS，a3Dfiniteelementmodelofboltjointswiththerealizablemeshrefinementofthehexahedralelementsisestablishedbythebottom-upmodelingmethod．Thenanalyzedtheloaddistributionunderacertainpreload，theresultscomparedwithtraditionaltheoryandexperimentshowthatthesimulationbasedontheaccuratemodelcanimprovetheaccuracyofanalyzingtheboltjointloaddistribution，andmoreclosetotheexperimentalresults．ThisresearchprovidesapreciseandpracticalapproachforconstructingtheBoltJointModeling．Keywords:boltjoint;FEM;helicalthreadmodeling;loaddistribution螺栓联接具有结构简单、拆装方便、成本较低的优点，因此广泛应用于机械结构。然而螺栓联接由于其结构特点，普遍存在螺纹牙间承载不均匀和螺纹牙根部应力集中等问题［1，2］，在一定程度上影响了螺纹联接的强度和可靠性。拉杆螺栓联接是现代燃气轮机组合转子的主要联接方式［3］。燃气轮机等重型装备螺栓联接大多在循环重载高温环境下工作。随着循环次数的增加，螺栓联接力学行为发生变化，在一定时间累积后甚至导致螺栓联接的自松弛，是一个长期未解决的问题［4］。近年来学者们对螺栓联接的力学行为进行了一些研究。YAMATOTO［5］在大量假设的基础上，利用弹性理论方法研究螺栓联接轴向负载的分布。程序化得到螺纹副轴向力的分布，但对各圈啮合螺纹牙的承载关系表述得不够直观，无法完全反映螺纹螺旋啮合面间的应力分布。陈海平［6］等利用光弹实验法对螺栓联接轴向负载分布及螺纹应力集中进行了研究，获得了不错的效果。但实验要求太高，代价昂贵且切片极化易引起误差。与此同时，随着数字技术的发展，有限元方法日益成为研究螺栓联接力学行为的最强大的数值分析方法。文献［6，7］建立二维轴对称螺栓联接简化模型，尽管能模拟荷载传递，但是过于简化，与实际情况差距较大。文献［8］建立三维对称螺纹环状沟槽简化模型，将螺纹螺旋简化为若干平行的环状沟槽，考虑荷载传递及应力集中。但是忽略了螺纹螺旋的效应，无法获得精确的分析结果。文献［9～12］考虑了螺纹螺旋升角，采用普通三维软件实体建模，而后导入有限元软件划分网格。由于三维实体建模软件的局限，网格划分质量差，导致分析精度较低。本文利用螺纹轮廓数学表达式，得到精确的螺纹螺旋模型几何参数