螺紋連接預(yù)緊力有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究-機(jī)械論文

摘要：本文運(yùn)用有限元理論，以ANSYS軟件為分析平臺，建立了螺栓連接的有限元模型，分析了螺栓在預(yù)緊過程中各圈螺紋副的受力情況，通過積分求得了螺紋副間的摩擦力矩，確定了預(yù)緊力與預(yù)緊力矩之間的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得到一個(gè)可以應(yīng)用到工程實(shí)際中的預(yù)緊扭矩系數(shù)值，為提高扭矩法控制螺紋連接預(yù)緊力的精度和建立各種型號螺栓連接的預(yù)緊力—扭矩關(guān)系數(shù)據(jù)庫奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：螺紋連接 預(yù)緊力 扭矩系數(shù) 有限元

1  引言

螺紋連接結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，是機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛連接方式。受軸向預(yù)緊力的螺紋連接應(yīng)用最為廣泛。施加合適的螺紋連接預(yù)緊力，能提高結(jié)構(gòu)的承載能力、改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、增加結(jié)構(gòu)的工作可靠性。預(yù)緊力過大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的下降，螺栓在載荷作用下會發(fā)生螺紋屈服、松脫、延遲斷裂；預(yù)緊力不足，被連接件在載荷作用下會產(chǎn)生間隙或松動(dòng)，改變螺栓的受力狀態(tài)，降低螺栓強(qiáng)度，降低疲勞強(qiáng)度。預(yù)緊力控制不均勻，將導(dǎo)致螺栓受力不均，個(gè)別螺栓超過設(shè)計(jì)載荷，導(dǎo)致螺栓組整體強(qiáng)度下降，整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝連接失效。因此，預(yù)緊力控制對機(jī)械結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

目前控制螺紋預(yù)緊力的方法有四種，即螺栓伸長法，扭矩法，扭矩—轉(zhuǎn)角法和屈服點(diǎn)法。螺栓伸長法、屈服點(diǎn)法這二種方法因?yàn)槠涔こ虒?shí)用性差，控制成本高，現(xiàn)在只在實(shí)驗(yàn)室研究中應(yīng)用；扭矩-轉(zhuǎn)角法則因其設(shè)備昂貴，并且應(yīng)用起來不方便，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋聯(lián)接等重要特殊部位。扭矩法在工程中應(yīng)用最方便、最廣泛，經(jīng)濟(jì)性最好，但控制精度需要提高。目前，通過力矩控制法來控制預(yù)緊力是經(jīng)濟(jì)型最高的控制方法，并且大范圍的應(yīng)用，但是在通過預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩的關(guān)系，求取扭矩系數(shù)K值的時(shí)候，螺紋連接采用的是簡化模型，認(rèn)為整個(gè)螺旋副上的受力均等，這個(gè)模型有很大的局限性，因?yàn)閷?shí)際情況，每圈螺紋的受力情況都是不同的，從而求得的K值不準(zhǔn)確，從而預(yù)緊后得到預(yù)緊力的離散度大，使得扭矩控制法的精度受到影響。往往在實(shí)際操作中，有很多螺紋沒有達(dá)到預(yù)緊目的，對設(shè)備運(yùn)行的可靠性影響很大。

本文通過有限元分析得到螺旋副上的受力變化曲線，通過積分得到螺旋副間的摩擦力矩，力求使得整個(gè)計(jì)算更加的精準(zhǔn)，使得扭矩控制法的控制精度得以提高。

2 螺紋連接預(yù)緊力有限元分析

１、螺紋連接的力學(xué)有限元模型的建立：根據(jù)螺紋連接的尺寸及特點(diǎn)，利用ANSYS軟件，建立螺紋連接的有限元模型，得到螺紋連接各部分的真實(shí)受力情況，并與傳統(tǒng)的計(jì)算方法進(jìn)行比較分析。

２、在螺紋連接的三維幾何模型上按實(shí)際情況進(jìn)行加載，得到螺栓和螺母各部分的應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)缦聢D所示。         

螺母應(yīng)力應(yīng)變圖                       螺栓應(yīng)力應(yīng)變圖

３、螺栓的扭矩系數(shù)的理論求解與分析：傳統(tǒng)的計(jì)算方法中，把螺旋副中螺紋牙的受力等效到中徑上，且將各圈螺牙的受力簡化為相等，本項(xiàng)目則改進(jìn)上述不足，結(jié)合有限元模型中螺栓連接時(shí)的實(shí)際應(yīng)力分布情況進(jìn)行深入分析，使螺栓預(yù)緊扭矩系數(shù)得到精確處理。對螺紋副上的摩擦扭矩 和螺母環(huán)形端面與被連接件摩擦扭矩 的求解，進(jìn)而得到K的數(shù)值解析解：

式中：T——扭矩， N.m； ——螺紋中徑，mm；d ——螺紋公稱直徑，mm；

f ——螺紋副的摩擦系數(shù)； ——螺紋副摩擦角（ ）；

α ——螺紋升角，（°）；β ——牙型半角，普通螺紋為30°； ——螺母與墊圈之間的摩擦系數(shù)；D——螺母支撐面直徑，mm； ——墊圈孔直徑，mm。

3  螺紋連接預(yù)緊力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

本課題采用扭矩控制法，將理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合。通過扭矩系數(shù)測量裝置測量并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用線性擬合的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出扭矩系數(shù)。將實(shí)驗(yàn)與理想模型所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到比較精確預(yù)緊扭矩系數(shù)K。

１、螺紋預(yù)緊扭矩系數(shù)測量裝置的研制   本測試裝置在對不同型號的螺栓進(jìn)行預(yù)緊的過程中，通過傳感器采集預(yù)緊力和預(yù)緊扭矩值，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理模塊即可得到相應(yīng)的扭矩系數(shù)。本裝置可以快速的測試不同直徑、不同長度的螺栓的扭矩系數(shù)，并實(shí)時(shí)采集施加的預(yù)緊扭矩值和預(yù)緊力值，與傳統(tǒng)測量方法相比，具有測量精度高，操作方便、安全、穩(wěn)定，自動(dòng)化程度較高的特點(diǎn)，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

２、扭矩系數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)采集分析  本試驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)處理方法為：當(dāng)用扳手施加扭矩后，產(chǎn)生預(yù)緊力和扭矩，通過拉力傳感器和扭矩傳感器采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過編程，單片機(jī)利用公式 運(yùn)算得到扭矩系數(shù)，并顯示在微機(jī)顯示器上。

３、建立螺栓連接的預(yù)緊力—扭矩關(guān)系數(shù)據(jù)庫  根據(jù)所求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，應(yīng)用于工程實(shí)際，為不同型號的螺栓預(yù)緊提供準(zhǔn)確可靠的查詢數(shù)據(jù)庫。

4  結(jié)論

1)應(yīng)用ANSYS分析的螺旋副各圈螺紋的受力狀況比各圈螺紋受力均勻模型計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際、精度更高；

2）根據(jù)有限元分析結(jié)果，確定了反映螺紋連接預(yù)緊力—扭矩關(guān)系的扭矩系數(shù)；

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由有限元計(jì)算結(jié)果得出的扭矩系數(shù)比傳統(tǒng)模型所得值精度更高。

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