螺纹连接预紧力有限元分析及实验研究

摘 要：本文运用有限元理论,以ANSYS软件为分析平台,建立了螺栓连接的有限元模型,分析了螺栓在预紧过程中各圈螺纹副的受力情况,通过积分求得了螺纹副间的摩擦力矩,确定了预紧力与预紧力矩之间的关系,并通过实验进行了验证,得到一个可以应用到工程实际中的预紧扭矩系数值,为提高扭矩法控制螺纹连接预紧力的精度和建立各种型号螺栓连接的预紧力—扭矩关系数据库奠定了基础。

关键词：螺纹连接 预紧力 扭矩系数 有限元

中图分类号：TH7文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)11(c)-0074-01

螺纹连接结构简单,拆装方便,是机械结构中应用最广泛连接方式。受轴向预紧力的螺纹连接应用最为广泛。施加合适的螺纹连接预紧力,能提高结构的承载能力、改善结构的应力分布、增加结构的工作可靠性。预紧力过大,将导致结构承载能力的下降,螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂;预紧力不足,被连接件在载荷作用下会产生间隙或松动,改变螺栓的受力状态,降低螺栓强度,降低疲劳强度。预紧力控制不均匀,将导致螺栓受力不均,个别螺栓超过设计载荷,导致螺栓组整体强度下降,整个机械结构、设备安装连接失效。因此,预紧力控制对机械结构显得尤为重要。

目前控制螺纹预紧力的方法有四种,即螺栓伸长法,扭矩法,扭矩—转角法和屈服点法。螺栓伸长法、屈服点法这二种方法因为其工程实用性差,控制成本高,现在只在实验室研究中应用;扭矩-转角法则因其设备昂贵,并且应用起来不方便,主要应用于发动机缸盖联接等重要特殊部位。扭矩法在工程中应用最方便、最广泛,经济性最好,但控制精度需要提高。目前,通过力矩控制法来控制预紧力是经济型最高的控制方法,并且大范围的应用,但是在通过预紧力与预紧扭矩的关系,求取扭矩系数K值的时候,螺纹连接采用的是简化模型,认为整个螺旋副上的受力均等,这个模型有很大的局限性,因为实际情况,每圈螺纹的受力情况都是不同的,从而求得的K值不准确,从而预紧后得到预紧力的离散度大,使得扭矩控制法的精度受到影响。往往在实际操作中,有很多螺纹没有达到预紧目的,对设备运行的可靠性影响很大。

本文通过有限元分析得到螺旋副上的受力变化曲线,通过积分得到螺旋副间的摩擦力矩,力求使得整个计算更加的精准,使得扭矩控制法的控制精度得以提高。

1 螺纹连接预紧力有限元分析

(1)螺纹连接的力学有限元模型的建立：根据螺纹连接的尺寸及特点,利用ANSYS软件,建立螺纹连接的有限元模型,得到螺纹连接各部分的真实受力情况,并与传统的计算方法进行比较分析。

(2)在螺纹连接的三维几何模型上按实际情况进行加载,得到螺栓和螺母各部分的应力、应变如图1，2所示。

(3)螺栓的扭矩系数的理论求解与分析：传统的计算方法中,把螺旋副中螺纹牙的受力等效到中径上,且将各圈螺牙的受力简化为相等,本项目则改进上述不足,结合有限元模型中螺栓连接时的实际应力分布情况进行深入分析,使螺栓预紧扭矩系数得到精确处理。对螺纹副上的摩擦扭矩和螺母环形端面与被连接件摩擦扭矩的求解,进而得到K的数值解析解：

式中：T为 扭矩,N·m;d2为 螺纹中径,mm;d为 螺纹公称直径,mm;

f为螺纹副的摩擦系数;为 螺纹副摩擦角();

α为螺纹升角,(°);β为牙型半角,普通螺纹为30°;为螺母与垫圈之间的摩擦系数;D为 螺母支撑面直径,mm;为垫圈孔直径,mm。

2 螺纹连接预紧力系数的实验研究

本课题采用扭矩控制法,将理论分析与实验研究相结合。通过扭矩系数测量装置测量并采集实验数据,用线性拟合的方法进行数据处理,求出扭矩系数。将实验与理想模型所得的实验数据进行对比分析,得到比较精确预紧扭矩系数K。

2.1 螺纹预紧扭矩系数测量装置的研制

本测试装置在对不同型号的螺栓进行预紧的过程中,通过传感器采集预紧力和预紧扭矩值,应用数据处理模块即可得到相应的扭矩系数。本装置可以快速的测试不同直径、不同长度的螺栓的扭矩系数,并实时采集施加的预紧扭矩值和预紧力值,与传统测量方法相比,具有测量精度高,操作方便、安全、稳定,自动化程度较高的特点,具有广泛的推广应用前景。

2.2 扭矩系数测量的实验操作与数据采集分析

本试验台的数据处理方法为：当用扳手施加扭矩后,产生预紧力和扭矩,通过拉力传感器和扭矩传感器采集数据,采集的数据通过A/D转换器转换后输入到单片机进行处理,通过编程,单片机利用公式运算得到扭矩系数,并显示在微机显示器上。

2.3 建立螺栓连接的预紧力—扭矩关系数据库

根据所求的实验数据建立相应的数据表格,应用于工程实际,为不同型号的螺栓预紧提供准确可靠的查询数据库。

3 结语

(1)应用ANSYS分析的螺旋副各圈螺纹的受力状况比各圈螺纹受力均匀模型计算结果更符合实际、精度更高。

(2)根据有限元分析结果,确定了反映螺纹连接预紧力—扭矩关系的扭矩系数。

(3)实验结果表明,由有限元计算结果得出的扭矩系数比传统模型所得值精度更高。

参考文献

[1]姜凯,郭连水.基于有限元技术的螺纹有限元联接扭矩系数分析与计算[J].机械工程师,2010(5).

[2]濮良贵,纪名刚.机械设计(第8版)[M].西北工业大学机械原理及机械零件教研室,2006,5.

[3]张乐乐,苏树强,谭南林.ANSYS辅助分析应用基础教程[M].清华大学出版社,北京交通大学出版社,2007,12.

[4]刘坤,吴磊.ANSYS有限元方法精解[M].国防工业出版社,2004,8.

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