作者：王 崴, 徐 浩* , 馬 躍, 劉曉衛, 徐曉東 (空程大學防空反導學院,陜西西安,710051)
出處：空 程 大 學 學 報(自然科學版) 2014年2月
螺距和孔隙是螺栓連接的2個非常重要的幾何特征,它們不但影響螺栓連接的壓力分布和螺紋強度,還對螺栓連接橫向振動自松弛具有重要影響。Nassar和Housari[1-2]通過使用線性模型建立螺栓連接自松弛解析模型并進行實驗研究發現細牙螺紋較粗牙螺紋不容易發生螺栓連接自松弛,孔隙越大越容易發生螺栓連接自松弛。在他們研究的基礎上Nassar和Yang[3-5]使用一種更加精確的解析模型分析了螺距和孔隙對螺栓連接、沉頭螺栓連接的橫向振動自松弛的影響,并進行了實驗驗證,得到了相同的影響規律。由于螺紋具有復雜的螺旋結構,建立螺栓連接自松弛解析模型相當困難;開展螺栓連接自松弛實驗研究對實驗設備的要求非常高,同時實驗中在動板和定板之間加入滾珠及將螺栓頭固定等處理與實際不符。使用有限元方法對螺栓連接自松弛進行研究能有效地克服以上兩者的缺點。使用有限元方法研究螺栓連接自松弛的代表有Hess[6]、Izumi[7]和Jiang[8-9]等。Hess和Izumi等人通過建立三維有限元模型對在橫向循環載荷作用下的螺栓連接自松弛進行仿真,提出了螺栓連接自松弛的4種情況:螺紋嚙合面和承壓面的局部滑移,螺紋嚙合面和承壓面的*滑移,螺紋嚙合面*滑移而承壓面局部滑移,以及螺紋嚙合面局部滑移而承壓面*滑移。Jiang等人在文獻[8~9]中使用有限元方法研究了因螺紋根部塑性變形導致的螺栓連接自松弛。但Hess、Izumi和Jiang等人但他們的研究并沒有涉及螺距和孔隙對螺栓連接自松弛的影響。為此,本文通過建立三維螺栓連接有限元模型,進行螺栓連接橫向振動自松弛有限元仿真,研究螺距和孔隙對自松弛的影響。
1 螺栓連接橫向振動有限元解法
螺栓連接在橫向循環載荷作用下的動力學方程如下:
2 仿真模型及方法
2.1 螺栓連接有限元模型
為了進行螺栓連接橫向振動自松弛仿真,建立型號為M12帶螺紋的三維螺栓連接有限元模型見圖1。模型對螺栓螺母的六角頭、倒角等特征進行了簡化,將螺栓頭簡化為直徑16.6mm、高7.5mm的圓柱,螺栓總長64 mm;螺母簡化為外徑16.6mm 內徑12 mm 的圓柱形螺母;螺紋采用普通螺紋,牙型角60°,螺距細牙1.5mm(粗牙1.75mm)。2塊連接板為尺寸相同矩形板,中間具有直徑為12+δ'(δ'/2是孔隙)的圓孔。文中考察3種孔隙尺寸0.5mm(精裝配)、0.75 mm(中等裝配)和1.25mm(粗裝配)對螺栓連接自松弛的影響。模型采用SOLID45單元進行網格劃分,對影響計算誤差的螺紋部分進行六面體網格劃分,和螺紋相連的部分螺栓桿和螺母管進行四面體網格劃分,其余部分進行映射網格劃分。定義螺栓螺母的材料屬性:楊氏彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,密度為7.9×103kg/m3,屈服極限為640Mpa;定義連接物的材料屬性:楊氏彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,密度為7.9×103 kg/m3,屈服極限為235 Mpa。在螺栓頭承壓面、螺母承壓面、連接物結合面及螺紋嚙合面處建立接觸對,將摩擦系數全設置為0.1。
2.2 螺栓連接自松弛仿真方法
對螺栓連接進行橫向振動自松弛有限元仿真,首先需要對螺栓連接進行預緊,然后對預緊后的螺栓連接模型施加橫向循環載荷進行瞬態分析。本文中對螺栓連接施加的預緊力為10.73kN;在瞬態分析中,對下板施加隨時間變化的橫向位移載荷δ(t)=0.2sin(3600t),并設置時間步長為0.0125s,在0.325s后結束仿真。
3 結果分析
3.1 螺距對螺栓連接自松弛的影響
對孔隙為0.5mm 的不同螺距模型分別進行螺栓連接橫向振動自松弛有限元仿真。在仿真結束后,提取上板下表面所有節點的z 向合力作為螺栓連接的殘余預緊力,并繪制殘余預緊力隨循環周期變化的曲線見圖2。由圖2可知,細牙螺紋預緊力損失速度要稍慢一些,說明細牙螺紋的防松性能要比粗牙螺紋好。提取外界激勵幅值處螺紋嚙合面和螺母承壓面的接觸狀態見圖3,由圖可知,粗牙螺紋對應的滑移更加劇烈。這與不同螺距條件下預緊力損失過程相符,同時說明細牙螺紋的螺栓連接不容易發生自松弛。
3.2 孔隙對螺栓連接自松弛的影響
對螺距為1.75mm 的不同孔隙模型分別進行螺栓連接橫向振動自松弛有限元仿真。在仿真結束后,提取殘余預緊力值,繪制曲線見圖4。由圖4可知,孔隙越大預緊力損失的速度也越大。提取外界激勵幅值處的螺紋嚙合面和螺母承壓面的接觸狀態見圖5。由圖5可知,孔隙越大滑移越劇烈,這與預緊力的損失規律相同,說明孔隙越大,螺栓連接越容易發生自松弛,這也驗證了精裝配的防松性能邏輯。
4 結論
通過對不同螺距和不同孔隙的螺栓連接模型進行橫向振動自松弛有限元仿真研究,可以得到以下
結論:
1)細牙螺紋的螺栓連接相比粗牙螺紋的螺栓連接不容易發生自松弛;
2)本文的有限元仿真驗證了精裝配在3種裝配中的防松效果邏輯;
3)有限元仿真結果與文獻中的研究結果相符,說明了本文建立的螺栓連接有限元模型及仿真方法的正確性,從而為進行螺栓連接自松弛有限元分析提供了一種實現途徑,同時為進行其它螺栓連接有限元仿真提供了一種建模方法。
