高强度螺栓抗拉连接的仿真及实验研究

1、分类号密级学号彳屈大季硕士学位论文论文题目：高强度螺栓抗拉连接的仿真及实验研究论文作者：曾强鬟豢、麓：名鼍盏：崔佳副教授重庆大学申请学位级剐：硕士专业名称：结构工程论文提交日期：年月日答辩日期：年月日学位授予单位：重庆大学授位日期：年月日答辩委员会主席：裁国砍教授论文评阅人：魏明钟教授但泽义教授级高工年月日重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要高强度螺栓连接是现代钢结构中最常用的连接方式，它具有质量稳定安全高效的特点。在现代设计理论中除研究结构构件和体系的力学行为外，另一个重要的方面就是节点的力学性能。节点的力学性能与计算理论假设相符程度直接影响到计算结果的准确性。高强度螺栓连接的力学性能研究是通过

2、实验分析获得的，但实验手段也有其局限性。本文通过运用有限元法模拟计算分析高强度螺栓抗拉连接的力学性能，并与实验结果相对比。本文首先对目前高强度螺栓抗拉连接的研究成果、连接的特点及撬力问题进行了阐述。对我国和国外规范中有关高强度螺栓连接的计算方法和规定进行了对比分析。随后对高强度螺栓抗拉连接的三类极限状态，以及各状态的主要内力计算方法进行了推导和说明。模拟高强度螺栓抗拉连按的受力过程包含了一系列复杂的非线性问题，其中包括了接触非线性、材料非线性和几何大变形的问题。为提高分析的准确性本文对连接的主要构件高强度螺栓和连接翼缘板的材料模型分别取用双线性和多线性自然应力应变关系。分析选用大型通用有限元程

3、序，运用其强大的非线性计算能力和丰富的特殊单元解决了分析过程中翼缘板与假设刚性面的接触问题，还有高强度螺栓连接的预拉力模拟问题。文章就连接翼缘板刚度的变化和设置加劲肋等构造措施对连接的高强度螺栓内力、翼缘板问的接触压力、撬力和节点刚度的影响进行了对比分析，并对有限元的计算结果进行了多项式拟合。对所划分的三种极限承载状态所设置的模型对比分析了连接内力的变化规律。撬力随外加荷载变化的规律复杂，而且撬力的变化规律受节点刚度的大小和是否设置加劲肋的影响较大。根据计算结果，讨论了高强度螺栓连接计算中螺栓抗拉限制值分别取为，只耜。只时连接内力状态的差别。为检验有限元模拟计算结果及其计算过程中采用的部分假设

4、的有效性，作者在研究粱柱高强度螺栓连接节点刚度的实验中，通过自行设计压力传感器测定高强度螺栓轴力的变化规律，并将实验数据和有限元计算数据对比分析。对比结果理想，证明在合理的假设下，对于钢结构这类较为符合理论假设的材料，采用有限元法模拟计算钢结构的相关问题是非常有效的手段。关键词：高强度螺栓抗拉连接，撬力，自然应变，接触非线性，材料非线性，有限元方法，重庆大学硕士论文英文摘要幽，。畦出出出，。：，重庆大学硕士论文绪论引言钢结构近几年在全国发展势头强劲，钢结构建筑以其适应造型复杂的建筑设计要求、施工的便捷和建设周期短等特点在建筑市场上成为关注的焦点。钢结构的体系计算已是较为成熟的理论。理论中关注的

5、重点是结构体系中梁、柱的受压稳定性问题。在结构和构件稳定性问题方面国内外学术界研究已取得了骄人的成果，目前研究正朝弹塑性稳定方向进一步深入发展。稳定问题是一个较为复杂的问题，我们从实际运用和计算理论的结合处考察不难发现节点的受力性能是另一个关键性问题。节点受力性能是构件约束条件的重要保证，而约束条件则是构件稳定分析中的基本条件。一位研究钢结构的前辈曾经说过“约束等于刚度”，我们可以体会出约束对于稳定问题的重要性。本文关注抗拉螺栓连接的受力性能问题，并进行了分析研究。螺栓连接是钢结构中常用的节点形式，其中抗拉螺栓连接的受力性能较为特殊。其特殊性在于抗拉螺栓连接产生的撬力问题。撬开作用会削弱节点的

6、极限承载力及疲劳强度，影响螺栓的工作性能。撬力的不利影响在设计时应该考虑。普通螺栓过去采用容许应力设计法。对号钢制成的普通螺栓，抗拉容许应力取为号钢构件的倍，也就是考虑了相当予的撬力。最新修订的钢结构设计规范规定，受拉连按的高强度螺栓，不论是承压型还是摩擦型，其承载力设计值均取为。，而对撬力的计算未作规定。高强度螺栓连接的抗拉性能高强度螺栓在承受荷载前已经有很高的预拉力，在施加外力以前，高强度螺栓的预拉力。与板间接触力是相等的。当施加荷载到连接板的外表面时，螺检会伸长，面经预压的板逐渐恢复到原来的厚度。如果板件的膨胀量不超过原有的收缩量，则连接板件间仍然保持有若干接触压力。在这种情况下，预拉力

7、。增加了，板间接触压力减少了，即此时的夕卜拉力。假定螺栓和板保持弹性，在力作用下，螺栓与板的变形量缸应该相等。由于。尸，式中。、分别为连接板和高强度螺栓的刚度。冬屯，（）重庆大学硕士论文绪论。叶一一图力和伸长关系们毒（），当外荷载增加到刚好使接触压力消失时，。因为，此时：上：墨七（）可以推出挑每只（）螺栓总拉力：”（夸（）此时应有，板完全松开后，高强度嫘栓的受力情况就和没有施加过预拉力的普通螺栓样】。撬力的作用实际工程中形连接的端板在承受拉力时会产生弯曲变形。以对称形连接为例（图、图），因为连接对称，两侧的高强度螺栓所受的拉力相等，连接上的外加荷载会减少型连接翼缘和底板之间的接触压力。由于连接

8、板的弯曲变形，在形连接翼缘板的外缘将产生附加力，此附加力即撬力。撬力增加了抗拉连接中高强度螺栓所承受的拉力，直接影响高强度螺栓的工作性能。撬开作用受翼缘和紧固件的刚性性质影响，如果形连接中的翼缘有足够刚性，翼缘的弯曲变形与高强度螺栓的伸长相比很小，则产生的撬开力亦很小，连接高强度螺栓的受力接近于受拉的单个螺栓。图即是此种情况下外力与螺栓重庆大学硕士论文绪论拉力，的试验曲线】。形连接中的最大弯矩发生在腹板和翼缘交界处，翼缘可看作承受纯弯曲。当形连接采用更柔性的翼缘板时，翼缘板的弯曲变形将产生较大的撬力。此种情况下外力与螺栓拉力的关系曲线如图所示。初始阶段，外加荷载使形翼缘板和底板之间的接触压力减

9、小，直至在螺栓轴线上发生脱离。此间，由于撬力的作用，曲线偏离原直线位置，使迅速增大。但当螺栓轴线上发生一，主，。、暮图螺栓力的变化（翼缘板厚）（），。：。徘篇一一。书布斋高；÷一，÷÷。：，二一！上（：图螺栓力的变化（翼缘板厚），睁）脱离。此间，由于撬力的作用，曲线偏离原直线位置，使迅速增大。但当螺拴和形连接板的翼缘屈服后。螺栓拉力的增加随着外加荷载的增加逐渐趋缓。由于塑流的影响，撬力在外荷载水平下得到减少。但直到破坏为止，撬力会始终存在。以上的讨论中，形连接件是假定连接在刚性底板上的，然而实际情况中的形连接件不是连于刚性底板，如钢框架结构中的梁一柱连接节点，传递

10、拉力的形连接板的腹板连接到梁的受拉翼缘上，而形连接的翼缘板则接到柱的翼缘上，如图所示，如果框架柱的翼缘没有足够刚度，图梁柱连接撬开力的位置会从脚线和移到和边。在这种情况下，重庆大学硕士论文绪论撬力的大小和位置是由形连接件翼缘与柱的翼缘的相对刚度控制。通过变化形连接板翼缘厚度而进行的试验表明：当形连接板翼缘刚度增加，撬力趋向于集中在靠近形断面边角的面积上。当形连接板翼缘的刚度大于柱翼缘的刚度很多时，形断面形成刚性底板，并且由于柱翼缘变形而产生撬力。又如当吊杆有多于两行平行于腹板的紧固件时，由于翼缘的柔性，外侧一行螺栓的作用会急剧降低。试验表明，在连接加载的初期，外侧螺栓的应变最初稍有降低或保持常

11、数，几乎全部荷载是由内侧螺栓承担，在外侧螺栓参与受力之前内侧螺栓几乎已发生破坏。通过增加翼缘抗弯刚度能使外侧螺栓的作用增加。这说明除非翼缘特别厚或者设置加劲肋，外侧螺栓对承受拉力并不是很有效。嘞黜姗啪瞬牝船、巧驼川图撬力对外拉力极限值的影响图不同预拉力时螺栓拉力与外荷载关系高强度嫘栓的板问压紧力使受拉时形连接板不容易产生严重的变形，撬力作用也有所缓和。但只要外拉力。（为高强度螺栓的预拉力）以后，将出现不可忽视的撬力。外拉力的极限值由。下降到州（图）。如果要完全忽略撬力的影响，办法之一是使。：办法之二是增加端板刚度，分析认为宜使端板厚度。后者往往很难作到，可以用设置加劲肋来代替“。图是高强度螺栓

12、当采用不同的预拉力时，螺栓拉力与外荷载的试验曲线。虽然在相当低的荷载下增加预拉力（即板件间的压紧力）会减少撬开作用，但是在接近极限荷载的荷载水平下其撬开作用大致一样。即预拉力对极限荷载没有重大影响，极限荷载时的撬开作用主要是受螺栓变形能力的影响。重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的设计和计算高强度螺栓抗拉连接的设计和计算我国钢结构规范关于高强螺栓抗拉连接设计的历史高强度螺栓摩擦型连接的计算和构造要求在我国钢结构设计规范”、和中的规定，限于研究工作的局限性，其对高强度螺栓摩擦型连接规定的取值没有较大差异，都存在一些有待改进的问题。规范（容许应力设计法）中有关高强度螺栓摩擦型连接的承载力计算规定为

13、：在抗剪连接中，每个高强度螺栓的容许承载力（符号统用新的）为：】，（。）式中，一传力摩擦面数目；一摩擦（抗滑移）系数（给出了种摩擦面处理情况）：只一高强度螺栓的预拉力；系数为安全系数（取）的倒数。在螺栓轴方向受拉的连接，每个高强度螺栓的容许承载力为：【？】（）。当高强度螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，每个螺栓的容许受剪承载力为：孵（一）式中一每个螺栓在其杆轴方向所受的外拉力，。（）几个有关参数取值的说明。式（）中的摩擦系数是根据国内试验数据确定的（取平均值减倍标准差）。螺栓预拉力按只。；计算，式中。为高强度螺栓热处理后的抗拉强度，为了与当时国内设计习用的螺栓面积一

14、致，一；取按螺栓内径计算的净截面面积，而没有取有效面积。公式（）中的系数（下称口）和公式（）中，仃面的系数（下称口）的确定比较困难。当时看到国外规范的规定也不尽相同，例如（符号统一）【】：（）西德：÷，（）（）重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的设计和计算（）整个螺栓群：式中为安全系数。（）奥地利：（）【托：专”，“（一，），只（）英国：（）（）瞅，玄再（），（）（）（）美国：以容许抗剪应力的形式表达，六】（螺栓），：（螺栓）容许抗拉应力，（，（螺栓），】（螺栓）拉剪共同作用，（氓】，氓】（一，）式中尸，为螺栓有效直径。（以上可以看出，各国规范所取系数和不尽相同，其取值范围一般为和。

15、中，和的取值介于以上个规范之间，当外拉力达到限值时，板问夹紧力，亦即？】，趋近于零，这个协调条件并不一定必须满足。从当时的试验和文献得知，由于高强度螺栓连接的抗滑移系数将随拧紧拉力的减小而减小。当螺栓在其杆轴方向受外拉力，作用时，板件间的预夹紧力由减小到（），因而每个螺栓的抗剪承载力随之降低，板间抗滑移系数亦随之降低。但计算公式中的值假定为常数。为简便起见，采用（一矾）代替（），系数大于，用以考虑板问夹紧力减小使降低的影响。根据试验得到的与螺栓拉力间的关系曲线求出在拉力范围内，系数芦不超过，最后采用。这样在形式上，当，只时，有效夹紧力接近于零。以淆移为设计准则的连接，其安全系数各国家的规范取值

16、也不一完全一致。例如英国规范（第一部分）取，当考虑风荷载时，可减小到。德国规范，（房屋，主要组合），或（房屋，考虑辩加组合）。苏联规范规定，每个螺栓单摩擦面的承载力：肛巴肌，其中肌为工作条件系数，取重庆大学硕士论文扁强度螺栓抗拉连接的设计和计算（苏联规范从年代后期已采用极限状态设计法）。这里的系数相当于现在抗力分项系数的倒数，只为预拉力，取。以。我国，取，与构件相同。关于高强度螺栓受拉时产生的杠杆力（撬动力）问题，在计算中未予考虑，但在构造中强调板件刚度较小时，应用加劲肋予以加强。（极限状态设计法）对高强度螺栓摩擦连接的规定我国规范采用极限状态设计法，有关高强度螺栓连接的计算基本上是在规范基础

17、上换算得到。在抗剪连接中每个高强度螺栓的承载力？，系数为抗力分项系数（取平均值）的倒数。在螺栓杆轴方向受拉的连接，每个螺栓的承载力（）吖（）当高强度螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面间的剪力和螺栓杆轴方向的拉力时，每个螺栓的受剪承载力；，（一，）这个公式是从式（）换算过来的，将式（，）改成极限状态式。（）非斛卜锩）。式中。一荷载标准值产生的螺栓杆轴方向拉力；。一荷载分项系数平均值；，。一抗力分项系数。届扎，取则磊，取代入式（），则得式（）。当只时，？相当式（）的控制条件。条文说明中规定，当摩擦型连接高强度嫘栓的外拉力由弯矩（如端板连接）产生时，高强度螺栓连接整体抗剪强度的计算式：，一“）式中（）一连

18、接受拉区每列中第个螺栓所受外拉力（连接受压区取。）；一螺栓列数；一螺栓行数。重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的设计和计算式（）与钢结构高强度螺栓连接设计、施工与验收规程给出的公式相同。中关于高强度螺栓摩擦型连接的规定最新修订并发布的钢结构规范，由于对高强度螺栓连接没有做新的研究工作，因而基本上保留了的公式形式。在抗剪连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值按下式计算：，叱式中一传力摩擦面的数目；一摩擦面的抗滑移系数；。一一个高强度螺栓的预拉力。在螺栓杆轴方向受拉的连接中，每个螺栓的承载力设计值。：当高强螺栓摩擦型连接同时承受摩擦面问的剪力和螺栓杆轴方向的外拉力时，其承载力按下式计算：簧筹式中。，

19、某个高强螺栓所受的剪力和拉力；（）：，？一一个高强螺检的抗剪，抗拉承载力设计值：其中所规定的高强螺栓在同时承受拉剪时的验算式（）与规范中的相应规定是等价的，只不过形式不同而已。，卢（对于验算单颗螺栓来说可以改写为弘”，一一旦竺旦兰），肛。即为中的若筹】不同设计规范计算方法的比较各国高强度螺栓材质规定嘲【高强度螺栓的连接副是由一个高强度螺栓、一个螺母和一个或两个热圈组成的结构连接紧固件，就连接副的稃类和等级来说，我国分为级和级，而日本分为，和三个等级。重庆大学硕士论文扁强度螺栓抗拉连接的设计和计算美国规定高强度螺栓用钢的化学成份：最少为，最少为，最大为，最大为。英国对螺栓化学成分只规定了和含量的

20、最大值为，规定用油或水淬火，回火最低温度为。德国规定各种规格的螺栓材料如下：螺栓、。；，螺栓，螺栓，。日本列举的材料有：、￥、；，。我国在制造大六角头高强度螺栓时通常选用的是号钢或，而在制造扭剪型高强度螺栓时则多选用。钢与钢相比，具有良好的抗断裂韧性。各国规范计算方法的比较中国规范我国钢结构设计规范（）对高强度螺栓摩擦型连接在承载力极限状态应计算高强度螺栓承压型连接计算要求：（）抗剪承载力应满足？（三，孵（）式中：吧譬，？矿，彤姐只（）（甜虬邴。英国规范英国房屋钢结构设计规范（：）规定：（）高强度螺栓摩擦型（）连接的抗剪承载力曼。，（）高强度螺栓承压型（）连接的抗剪承载力重庆大学硕士论文高强度

21、螺栓抗拉连接的设计和计算只巳圮（）单个螺栓的抗拉承载力只（）同时受拉受剪作用的螺栓，不论是摩擦型还是承压型，均应验算（）（）墨（）巳只式中，只一螺栓预拉力，取值见表；“一抗滑移系数；世。一螺栓孔影响系数，对于标准孔取足。；只，一螺栓的设计剪力和设计拉力。英国规范的荷载分项系数为恒载，平均值儿。澳大利亚规范澳大利亚钢结构设计规范只规定了级高强度螺栓的计算方法，要求在正常使用极限状态按摩擦型连接验算：（）螺栓的抗剪承载力（）螺栓抗拉承载力圪舡一虬“（）（）孵面庐。（）同时受拉受剪作用时螺栓应计算旦竖兰（）孵心。式中，一螺栓预拉力，在表中给出；庐一承载力系数；口一抗滑移系数；嘭，二一正常使用极限状态

22、螺栓连接的设计剪力的拉力；。一螺栓孔影响系数，对于标准孔取。澳大利亚规范的荷载分项系数取恒载，活载，平均值九。欧洲规范欧洲房屋钢结构设计规范（：）规定了级和级高强度螺栓的计算方法，摩擦型连接的高强度螺栓应验算：（）螺栓的抗剪承载力。曼。，（）重庆大学硕士论文亩强度螺栓抗拉连接的设计和计算（）螺栓抗拉承载力口：”（）“（）同时受拉受剪作用时螺栓应计算“雒辑，女）（），胁式中，。一螺栓预拉力，在表中给出；，一抗力分项系数：，。；一抗滑移系数；丘一螺栓的抗拉强度；级厶，级厶；“，。螺栓连接的设计剪力和拉力；一螺栓孔影响系数，对于标准孔取七：。箩洲规范的荷载坌项系数取恒载，。，活载，平均值，。美国房屋

23、钢结构设计规范（）中采用的高强度螺栓为（相当于（）螺栓抗拉设计强度（承载能力极限状态）为庐，抗力系数取妒；（）螺检抗剪设计强度（正常使用极限状态）为萨瓦，抗力系数取多一】；（）同时受拉受剪作用螺栓抗剪设计强度（正常使用极限状态）为庐（一÷）。（）还应按承压型连接验算承载能力极限状态。瓦一嫘栓预拉力；美国规范的荷载分项系数为恒载，。；活载，。，平均值。我国规范与各国规范关于高强度螺栓连接承载力的比较。预拉力表比较了各国级和级的高强度螺栓的设计预拉力，我国原规范对级螺栓规定的预拉力值比其它国家低以上在本次修订中已有所调整，对于级高强螺栓的预拉力与其它国家规范基本接近。美国规范级）和（相当

24、于级），要求按摩擦型连接计算正常使用极限状态，抗滑移系数统一取。式中，一正常使用极限状态螺栓连接所受的拉力：重庆大学硕士论文府强度螺栓抗拉连接的设计和计算表高强螺栓的预拉力值（）（）等级直径中国（）（）（）（）（）（）英国美国澳大利亚欧洲级级（注：中国规范项目中括号内为规定的取值。抗拉承载力表比较了各国级和级高强度螺栓的抗拉承载力。从表中可以看出我国原规范规定的级高强度螺栓的抗拉承载力远低于其他国家的相应规定，并且级高强度螺栓的坎拉承载力也较其他国家的规定低。表高强螺栓的抗拉承载力（），等级直径中国（）（）（）（）（）（）英国美国澳大利亚欧洲级级重庆大学硕士论文扁强度螺栓抗拉连接的设计和计算（

25、注：中国规范项目中括号内为规定的取值。）抗剪承载力表高强度螺栓的抗剪承载力（）等级直径中国（）英国美国澳大利亚欧洲。（：（：（：（：（：“，级级（注：中国规范项目中括号内为规定的取值。）规范关于级和级高强度螺栓的抗剪承载力同其他国家规定值的差距不大。同时承受拉剪共同作用至一；。蕊鬈簧女螺蝰设计氆刀图高强螺栓承受拉剪共同作用重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的设计和计算高强度螺栓摩擦型连接同时承受拉剪作用的验算式，各国都采用了线性表达式，图为级高强度螺栓同时承受剪力和拉力时各国规范设计值的比较。综上所诉对于级摩擦型高强度螺栓，如连接板间抗滑移系数为，按我国设计规范（）计算时，单个螺栓的抗剪承载能

26、力为，而按英国规范（）计算时抗剪承载可达，两者相差；抗拉承载力分别为（）和（），两者相差：当该连接承受。（为螺栓预拉力）的外拉力时，其抗剪承载力分别降为（）和（），两者相差。螺栓抗拉连接的极限状态分析极限状态的分类太太凡卜是、抖旦卜生一肄旦士生上图螺栓抗拉连接的极限状态分类螺栓抗拉连接的破坏形态主要取决于形连接翼缘板刚度同螺栓刚度的比值，因此主要有三种破坏形态】【（如图）：（）双铰型，翼缘板弱，螺栓强，存在撬力；（）单铰型，翼缘板较弱，存在撬力；（）强板型，翼缘板强，螺栓弱，不存在撬力。精确的计算和分析螺栓抗拉连接极限状态的塑性变形是一项非常复杂的工作，它既包含了几何非线性问题，又囊括了材料非

27、线性问题。更为繁琐的是极限状态还受材料抗裂性能的影响，材料抗裂性能又取决于受力的效应。以下的计算方法口通过适当简化，对螺栓抗拉连接的破坏形式进行分析。主要有以下假设；）不考虑效应，按照模型进行计算。）忽略几何非线性问题。螺栓和翼缘的相对滑动忽略不计。重庆火学硕士论文扃强度螺栓抗拉连接的设计和计算）撬力假定作用位置在翼缘的外边缘。）忽略剪切作用对材料塑性性质的影响。螺栓极限状态分析的计算、二图计算尺寸示意图极限拉力的确定主要是关于，的计算。各尺寸含义如图所示，翼缘板的极限弯矩为。（）双铰型破坏模式（）种破坏是形成两个塑性铰，为方便计算假定分别位于螺栓的中心线位置和腹板中心线左右处，而螺栓尚未达到

28、屈服拉力。设为螺栓对翼缘板的均布线压力，推导过程如下。跏一华（）（）（）联立方程（）、（）求解出未知量撬力和均布线压力，以及螺栓拉力。：丝堡竺±查和赢丽（）一（飑）巩）（）一）求得连接的极限抗拉因此在（）种破坏形态中，通过平衡方程（值为：重庆人学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的设计和计算，”：（）（、，”）（）单铰型破坏模式单铰型破坏发生在翼缘板较弱时，存在撬力。事实上，（）型破坏也有两个塑性铰，位于腹板中心线左右处，另一个是螺栓达到屈服应力后形成。我们这里所讲的单铰是相对于形连接的翼缘而言，未考虑螺栓本身。同双铰型破坏相比较不难发现，由于单铰型连接翼缘板的刚度较大，撬力对螺栓内力的影响

29、也更加显著，使螺栓应力增大并在极限状态时达到屈服强度形成塑性铰。翼缘板处的塑性铰弯矩为：埘（）”厂为螺栓的极限抗拉力。根据平衡方程可求得撬力，如式（）所示。（）：型（）凡：？埘”通过平衡方程（，一），求得。的表达式为：”一（）强板型破坏模式服。这种情况在设计中几乎不会遇到，其极限拉力可由平衡关系得到。，（），强板型破坏时连接类似于刚性体翼缘板不形成塑性铰，破坏表现为螺栓受拉屈（）以上三种破坏形式中通常以（）、（）两种形式居多，工程中一般不希望出现强板型破坏，因为这种破坏形式延性较差。以上计算方法，以平面模型入手，诸多因数均未考虑，因而精确计算撬力的目的很难达到。重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连

30、接的仿真计算高强度螺栓抗拉连接的仿真计算概述及分析目的高强度螺栓连接的研究途径目前主要有两种可行的方式。一种是通过实验行研究，这种方式直观、可靠能够综合考虑实际情况中各种复杂因数的共同作用。但实验也同时存在不利的方面，如耗时耗费。由于实验测量手段的局限性，有些有价值的细节数据无法测定，就本文的分析项目来讲，在实验中提取撬力、接触面的压力等都是极其困难的。另一种方式就是利用电脑进行有限元仿真计算。近几年随着电脑科技的迅猛发展，硬件和软件方面都有着惊人的提高。（）是目前公认较可靠的数值计算方法。本文选用的是基于原理的大型通用有限元软件为分析工具，对高强度螺栓的抗拉连接进行仿真模拟计算。几年前只能在

31、大型工作站上进行的复杂分析，现在普通就能胜任。进行有限元仿真计算时，为确保分析的准确性，关键注意以下两点：首先是对分析软件的全面了解，还要对你所分析问题涉及的模块运用熟练；第二点就是要根据分析项目制定分析方案，在准确性和合理近似两方面寻找最优化的平衡点。本项目分析主要目的是通过实体建模，分析高强度螺栓抗拉连接受力过程中撬力和连接板翼缘刚度对连接受力的影响，并初步对设置加劲肋模型的加强作用进行探讨。分析方案中利用的功能，施翅高强度螺栓的预拉力，在外荷载作用下求取高强度螺栓的内力变化。为获取撬力和接触压力，选用和进行接触分析。在材料性质方面假定了两种材料模型，对高强度螺栓设定为双折线弹塑性模型。连

32、接翼缘板设定为多折线弹塑性模型，考虑到翼缘变形较大，分析取用的是自然应力应变关系。模型建立及有关理论问题以下是对建模过程中单元的选取，材料模型的设定等有关理论性问题进行探讨。在受力过程中，由于翼缘板同时承受由高强度螺栓拉力所产生的弯矩、剪力，以及下部端板的接触挤压力，局部将很快进入塑性，产生较大的变形。高强度螺栓抗拉连接中的撬力就是因为翼缘板的刚度较小所产生的。因此准确地反映翼缘板的塑性性质是分析准确性的保证。塑性有关的问题工程应变与自然应变【】当塑性变形较大时，往往需要用真实应力的概念来描述物体中的应力情况。在一：重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的仿真计算一般拉伸实验盯（）曲线中，截面平均

33、应力仃÷，是试件的原始截面积，事实上盯并不是试件截面上的真实应力。因为在拉伸过程中，试件的截面积是逐渐缩小的。这种现象在达到材料的屈服应力之前，一般认为对应力应变图没有影响，因为一般金属的弹性变形量，因此其误差可以忽略。应力超过屈服极限后进入塑性变形阶段，塑性变形阶段体积是不变的，试件长度伸长，其横截面面积将相应减小。面积减小对于应力的计算值将有明显的影响。令试件截面上的真实应力为盯，则应有：（）其中为某一瞬间试件的实际截面面积。在常规的盯：，）曲线中盯：，是试件的原始截面积，因而盯，。工程应变一般表示为量，厶为两质点距离，为变形后距离。但在有的情况，由于变形程度较大，上述工程应变不

34、足以反映实际的情况。因为在实际情况中长度经过无穷的数值逐渐变成。，如厶，。，。，其中相邻两长度相差微小，由厶至。的总变形程度，可以近似看作是个阶段相对变形之和，用微分概念，设出是每一变形阶段的长度增量，则物体的总变形程度为孵地鲁慨，反映了物体变形的实际情况，因此称之为自然应变或对数应变。在大变形问题中，只有用自然应变才能得到合理结果。相对变形不能表示变形的实际情况，而且变形的程度越大，误差也越大。以下将自然应变以工程应交表示，并按级数展开，吉（）占一譬譬一；“有可加性和可比性等优点，详细分析见参考文献。，屈服准赠（。）变形程度小的时候，才与近似相等。变形程度越大，相差也越大。自然应变还对单向受

35、拉试件，我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生，然而，对于三向的应力状态，是否到达屈服点并不是明显的。重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的仿真计算屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此，知道了应力状态和屈服准则，程序就能确定是否有塑性应变产生。屈服准则的值有时候也叫作等效应力，一个通用的屈服准则是屈服准则，当等效应力超过材料的屈服应力时，将会发生塑性变形。可以在主应力空间中画出屈服准则，见图。，。：；参：？。一。（：！；三）：，。，口幽屈服准则在中，屈服面是一个以盯，毋为轴的圆柱面，在中，屈服面是一个椭圆，在屈服面内部的任何应

36、力状态都是弹性的，屈服面外部的任何应力状态都会引起屈服。注意：静水压应力状态（仃）不会导致屈服：屈服与静水压应力无关，而只与偏差应力有关，因此，的应力状态比仃。盯：盯，的应力状态接近屈服屈服准则是一种除了土壤和脆性材料外典型使用的屈服准则，在土壤和脆性材料中，屈服应力是与静水压应力（侧限压力）有关的，侧限压力越高，发生屈服所需要的剪应力越大。流动准则：流动准则描述了发生屈服时，塑性应变的方向，也就是说，流动准则定义了单个塑性应变分量（彰，彰等）是怎样随着屈服发展的。一般来说，流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的。这种流动准则叫作相关流动准则，如果不用其它的流动准则（

37、从其它不同的函数推导出来）。则叫作不相关的流动准则。在各向同性体的塑性流动理论中有以下假设，而这些假设是可以通过实验验证的。主伸长增量（速度）的方向与主应力方向重合。重庆大学硕士论文高强度螺栓抗拉连接的仿真计算体积变形的变化与平均压力成正比，并且完全是弹性的。应力偏量与应变增量（速度）成正比。应力强度是变形增量（速度）强度的函数。对于理想的弹塑性材料，应力强度是个常量。强化准则强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。一般来说，屈服面的变化是以前应变历史的函数，在程序中，使用了两种强化准则，即等项强化和随动强化。等向强化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张。对屈

38、服准则来说，屈服面在所有方向均匀扩张。见图。图等向强化时的屈服面变化图图，随动强化时的屈服面变化图，对于等向强化，在受压方向的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力。随动强化假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动，当某个方向的屈服应力升高时，其相反方向的屈服应力应该降低。见图。在随动强化中，由于拉伸方向屈服应力的增加导致压缩方向屈服应力的降低，所以在对应的两个屈服应力之间总存一个万，的差值，初始各向同性的材料在屈服后将不再是各向同性的。屈服准则、流动准则和强化准则是进行弹塑性分析的理论基础，只有合理地根据钢结构的特点选择恰当参数才能保证分析的有效性。重庆人学硕十论文高强度螺栓抗拉连接的仿真计算单元的选取分析中涉及到材料非线性和包含接触问题的状态非线性问题。采用的单元有四种：空间等参数单元节点：预应力单元：目标单