毕业论文-螺栓连接的有限元模拟分析.doc

学 号：201020907030 毕业论文 题 目：螺栓连接的有限元模拟分析 学生姓名：李鹏鹏学 院：理学院 班 级：工程力学10-1指导教师：郎风超 年 月 日1绪论本文主要介绍现在主要的螺栓类型和螺栓连接的模拟有限元分析以及现在螺栓发展国内外的现状和研究螺栓连接的重要意义.1.1绪论本论文主要研究的是螺栓连接的有限元模拟分析,出于方便的角度出发机器的制造、维修、安装、改造和提高机器使用效率及生产效率。在许多方面应用大量连接，例如：键连接、铆连接、焊接、销连接、胶接、螺栓连接等。而螺栓连接应用最为广泛，因为其比较方便、可更换、可靠性高、也比较经济。这就使得研究螺栓连接具有重要的意义。 螺栓是机械设计中使用率最高的联接件。因为它有拆装方便，结构简单 ,调整容易等众多的优点,且被广泛应用于桥梁、航天、航空、汽车以及各种工程机械等结构之中。在不同的工作环境下，由于振动冲击和温度的影响，造成设备产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。螺栓能否满足强度要求，关系到机械设备的安全性和稳定性。因此需要我们分析螺栓在不同环境下的所需要的强度要求，避免机器由于螺栓过载出现危险。传统力学的解析方法是对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。用有限元分析软件ABAQUS提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。1.2螺栓连接的形式与强度计算螺栓联接的强度计算，主要是根据联接的类型、联接的装配情况(是否预紧)和受载状态等条件，确定螺栓的受力；然后按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径(螺纹小径)或校核其强度。1、松螺栓连接(此图为松螺栓链接)松螺栓联接在装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷之前，除又关零件的自重（自重一般很小，强度计算时可略去。）外，螺栓并不受力。所以螺栓所受到的工作拉力就是工作载荷F。故螺栓危险截面拉伸强度条件为： 设计公式： 螺纹小径，mm；F螺栓承受的轴向工作载荷，N；松螺栓联接的许用应拉应力mpa。许用应力及安全系数见表 2.紧螺栓联接 紧螺栓连接装配时需要拧紧，在工作状态下可能还有需要补充拧紧。设拧紧螺栓杆承受的轴向拉力为（不承受轴向工作载荷的螺栓，即预紧力）。这时螺栓的危险截面（即螺纹小径处）除受拉应力外，还受到螺纹力矩所引起的切应力 对于M10M68的普通螺纹，取和的平均值，并取，得 。按第四强度理论（最大变形能理论），当量应力为故螺栓螺纹部分的强度条件为式中：为螺栓的许用应力，单位为MPa。紧螺栓联接有预紧力F，按所受工作载荷的方向分为两种情况： （1）受横向工作载荷的紧螺栓联接 受横向载荷工作载荷的螺栓连接，螺栓与孔之间留有间隙，承受垂直于螺栓轴线的横向工作载荷F,它靠被连接件间产生的摩擦力保持连接件无相对滑动。若接合面间的摩擦力不足，在横向载荷作用下发生相对滑动，则认为连接失效。所以所需的螺栓轴向压紧力（即预紧力）应为式中：为预紧力：C为可靠性系数，通常取C=1.1-1.3：m为结合面数目：f为结合面摩擦系数。对于刚活铸铁被连接件可取f=0.1-0.15.（a）普通螺栓联接 图（a）(a)普通螺栓联接:图（a）为普通螺栓联接，被联接件承受垂直于轴线的横向载荷。因螺栓杆与螺栓孔间有间隙，故螺纹不直接承受横向载荷，而是预先拧紧螺栓，使被联接零件表面间产生压力，从而使被联接件接合面间产生的摩擦力来承受横向载荷。如摩擦力之总和大于或等于横向载荷，被联接件间不会相互滑移，故可达到联接的目的。 b）铰制孔用螺栓 图（b）（b)铰制孔用螺栓:承受横向载荷时，不仅可采用普通螺栓联接，也可采用铰制孔用螺栓联接。此时，螺栓孔为铰制孔，与螺栓杆（直径处）之间为过渡配合，螺栓杆直接承受剪切，如上图所示。在受横向载荷的铰制孔螺栓联接中，载荷是靠螺杆的剪切以及螺杆和被联接件间的挤压来传递的。这种联接的失效形式有两种： 螺杆受剪面的塑性变形或剪断； 螺杆与被联接件中较弱者的挤压面被压溃。故需同时验算其挤压强度和剪切强度条件: 剪切强度条件: 挤压强度条件: (2)受轴向工作载荷的紧螺栓联接 现实生活中，螺栓所受外载荷与螺栓轴线平行的情况很多，如左图所示的汽缸盖螺栓联接，即为承受轴向外载荷的联接。右图其受力分析图，在工作载荷作用前，螺栓只受预紧力，接合面受压力；工作时，在轴向工作载荷F作用下，接合面有分离趋势，该处压力由减为，称为残余预紧力，同时也作用于螺栓，因此，螺栓所受总拉力FQ应为轴向工作载荷F与残余预紧力之和，即: =F+. 受轴向载荷的普通螺栓联接工作载荷作用前后受力图 所以螺栓的强度校核与设计计算式分别为： ， 注意：当轴向工作载荷在0F之间变化时，螺栓所受的总拉力将在之间变化。对于受轴向变载荷螺栓的粗略计算可按总拉力进行，其强度条件仍为上式。 3.螺栓与被联接件的受力与变形关系 螺栓与被联接件的受力与变形示意图1.3螺栓的失效形式与1、螺栓杆拉断2、螺纹的压溃和剪断3、经常拆装时会因磨损而发生滑扣现象1.4提高螺栓连接强度的措施螺栓连接承受轴向变载荷时，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常都发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部、螺纹尾部和螺母支撑平面所在处的螺纹。以下简明举出几点影响螺栓强度的因素和提高螺栓强度的措施。1、 降低螺栓总拉伸载荷fa的变化范围2、 改善螺纹牙间的载荷分布3、 减小集中应力4、 避免或减小附加应力除上方法之外，在知道工艺上采取冷镦头部和碾压螺纹的螺栓，其疲劳强度比车制螺栓约高30%，氰化、氮化等表面硬化理也能提高抗疲劳强度。1.5前景展望 伴随着计算机技术的发展和各种分析软件的成熟，ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARK、ALGOP以及ADINA等为代表的一系列分析软件的不断完善，运动仿真技术的发展使其理论分析有了更加坚实可靠的手段和依据，使得其更加接近真实情况，各种仿真软件的分析系统的日趋完善使得对螺栓疲劳的分析计算更加科学，可信。研究的目的意义：螺栓连接的在各种设备及机械中广泛应用，连接的可靠性，安全性事关生命及整个国民经济的发展。可靠，严密的强度理论研究是生产高强度，高质量的零部件的前提。可靠的连接是机械设备及其零部件正常，安全，高效工作的必然要求，所以进行螺栓的模拟分析的设计计算是发展生产的必然要求具有重大的理论和现实意义。Abaqus简介ABAQUS是国际上 最先进的大型通用有限元计算分析软件之一, 具有强大的计算功能和广泛的模拟性能, 拥有大量不同类型的单元模型, 材料模型和分析过程等。无论是分析简单的线弹性问题, 还是包括各种不同材料, 承受复杂荷载, 以及变化的接触条件的非线性组合问题; 无论是分析静态和准静态问题, 还是稳态和动态问题; 无论是隐式求解还是显式求解, 应用ABAQUS都会得到令人满意的结果。在真实的物理结构中, 结构的刚度会随变形而发生改变, 即所谓的 非线性分析。ABAQUS被称为 国际上最先进的大型通用有限元分析软件, 并拥有世界最大的非线性力学用户群,非线性分析正是ABAQUS最具有优势的领域。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法(FEM，Finite Element Method)。2、软件分析的基本流程:开始前处理,建模,划分网格设置边界条件解算器，求解控制方程，输出结果后处理，分析结果结束3、abaqus的主要模块1、ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线性问题，包括静力、动力、热和电问题的响应等。2、ABAQUS/Explicit是用于特殊目的分析模块，它采用显式动力有限元列式，适用于像冲击和爆炸这类短暂、瞬时的动态事件，对加工成形过程中改变接触条件的这类高度非线性问题也非常有效。3、ABAQUS/CAE（Complete ABAQUS Environment）是ABAQUS的交互式图形环境，用它可方便而快捷地构造模型，把它分解为便于网格化的若干区域，并对几何体赋于物理和材料特性、荷载以及边界条件。并可检验所形成的分析模型。一旦模型生成，ABAQUS/CAE可提交并监控要分析的作业，可视化模块就可用来显式结果。Abaqus主要功能：1、复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题 2、模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料 3、其它工程问题：热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。国内外研究：高强度螺栓代替铆钉用于刚结构约有4050年的历史。高强度螺栓和铆钉比较，无论在施工和养护方面优点很多，特别是因为打铆钉噪音声大，所以高强度螺栓在国外发展很快，现在美国桥梁和建筑的钢结构工地连接已有90%以上使用高强度螺栓。日本基本上已停止制造铆接结构。德国及其他一些欧洲国家仍然是铆钉和高强度螺栓同时使用，德国习惯于在箱形梁的同一个桥上，工地连接的翼缘用高强度螺栓的腹板仍用铆钉。我国于1957年开始研究高强度螺栓，目前除特大桥外，一般跨度小于128米的跌路钢桥都已使用高强度螺栓。据不完全统计，我国（包括支援外国的）跌路钢桥越已使用高强度螺栓300万套以上。我国在钢桥上所使用的高强度螺栓，均为摩擦传力的螺栓，此种螺栓连接的承载能力主要依赖于螺栓的预拉力、钢板表面的摩擦系数以及摩擦面数。一个高强度螺栓在一个摩擦面的承载能力t，可用下式表示：式中 N高轻度螺栓预紧力 f连接面的摩擦系数 1.7安全系数高强度螺栓的预拉力主要由其所用材料的强度而定，根据国外一些国家的研究，当高强度螺栓热处理后的强度超过时，就容易发生延迟断裂，所以国外高强度螺栓的强度一般不超过，很少用到。我国目前所用的40硼高强度螺栓强度为，使用以来虽然发生延迟断裂的比例比较小，但每断一个螺栓会造成紧张气氛，所以亦应设法尽量避免。现在修建通车三年的白河大桥3128米栓焊梁为例，此桥由于施工比较严格，更主要的是每个螺栓在工地都经过了磁粉探伤检查，所以近十万个螺栓至今仍未发生延迟断裂的情况。而在成昆线有一座栓焊桥发生延迟断裂的螺栓比较多，研究其原因有两种；一是螺栓未经详细检查有隐伤；另一个原因是施工时螺栓超拧，因而造成延迟断裂。强度的螺栓，在施工中超拧现象是应当避免的。有些国家采用转角法拧紧高强度螺栓时，对于强度较低（）的螺栓，则允许拧紧时应力超过屈服点，而对于的螺栓则就比较谨慎。总之，螺栓的延迟断裂如在制造和施工中严格控制是可以避免的。摩擦系数也是直接影响螺栓承载能力的一个重要因素，对摩擦系数每个国家的取值方法很不一致，如美国为了是高强度螺栓尽快推广和满足大量生产的需要，所以摩擦系数定得非常低，无论采用何种处理方法，摩擦系数的值都以带有轧制氧化皮表面的摩擦系数为准则，即用0.35.而西德正好相反，是以加工细作为原则，摩擦系数的采用都在0.5以上，并且安全系数也仅用1.4.日本和欧洲国际跌路联盟（UIC）的规定则居这两者之间，摩擦系数采用0.40.45.由此可看出，各国规定的摩擦系数值出入是很大比较的，当然所采取的措施也不同。根据我国的工料费的比例情况来看，显然是采用较高的摩擦系数为宜，我国跌路桥梁规范规定摩擦系数为0.45.目前采用的接触面处理方法是喷丸后涂无机富锌漆。无机富锌漆和硅锌漆在国外都有研究和采用，也认为是一种比较好的处理方法，但影响摩擦系数的因素很多，为了保证连接的承载能力，需要各环节都能保证质量。高强度螺栓若欲得到较高的承载力，必须制造、施工、科研、设计同心协力，才能达到预期目的。 Abaqus实例分析1分析高强度螺栓的预紧力1、螺纹联接预紧力的重要性阐述工业生产中，螺纹联接质量的重要性已引起广泛的重视。螺纹联接的质量是保证设备质量及设备正常运转的基础。绝大多数螺纹在联接时都要预紧，目的在于增强联接的刚性、紧密性、防松及防滑。预紧力的适当控制又是确保螺纹联接质量的关键。因为螺纹联接的预紧力将对螺纹的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。过大或过小的预紧力均是有害的，所以预紧力的大小、准确度都十分重要。从而使预紧力的控制成为螺纹联接的重要问题之一。常用的方法有力矩法、螺母转角法、螺栓预伸长法、特殊垫圈法等，这4种控制预紧力的方法，都是施加力矩拧紧螺栓联接的，所以始终会遇到一个或几个难以（有的几乎不可能）预知的控制因素。如果改变拧紧方法，给螺栓施加拉力，使之伸长，然后轻轻旋紧螺母，待撤去拉力后，由于螺栓收缩就可在联接中产生和拉力相等的预紧力。2什么叫预紧力及其作用所谓预紧力就是在安装螺栓时预先作用在螺栓上的一个力(压强),其作用是使螺栓受力变形,把紧固件结合在一起,同时可以防止在受到冲击载荷时螺栓断裂。预紧力的作用，主要是消除因加工误差产生间隙，保证螺纹配合的接触面积。再有就是当螺栓受剪力时，螺栓孔一般情况下与螺栓有间隙，为了保证受剪力时连接可靠，要保证连接零件之间的摩擦力3 预紧力不适当带来的后果 不适当的预紧力可引起一系列不良后果： （1）螺纹联接零件的静力破坏 若螺纹紧固件拧得过紧，即预紧力过大，则螺栓可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能螺纹牙被剪断而脱扣。 （2）被联接件滑移、分离或紧固件松脱 对于承受横向载荷的普通螺栓联接，预紧力使被联接件间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷，因此，预紧力的大小决定了它的承受能力。若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，甚至紧固件被剪断。 对于受轴向载荷的螺栓联接，预紧力使接合面上产生压紧力，受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。预紧力不足将会导致接合面泄漏，如压力管道漏水、发动机漏气，甚至导致两被联接件分离。预紧力不足还将引起强烈的横向振动，致使螺母松脱。 （3）螺栓疲劳破坏 大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大，因此，总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降。 （4）增大设备质量与成本 若预紧力过小，需使用较多和（或）较大的紧固件，往往也需采用较大的被联接件，因而增大了产品成本。同时，许多产品的成本是与需要装配的零件数目成正比的，所以预紧力过小将导致装配成本和制造成本以及维修费用的增加。 4预紧力与拧紧力矩的关系 螺栓联接的拧紧力矩指达到要求预紧力时的扳手力矩。拧紧螺母时，要克服螺旋副间的螺纹力矩T1和螺母与被联接件（或垫圈）支承面的端面摩擦力矩T2。因此，拧紧力矩 T=T1+T2=K0q0d (1) 式中d螺纹公称直径，mm； Q0系统预紧力，N； K0拧紧力矩系数，K0可概括影响拧紧力矩与预紧力关系的每一个因素，如摩擦系数、扭转变形、弯曲变形、螺纹牙的塑性变形等。 预紧力的大小根据螺栓组受力和联接的工况要求决定。一般