CN108460237A - 一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法 - Google Patents

一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，具有如下步骤：建立模型；将模型导入ABAQUS中；定义所述模型中各零件的材料截面属性；设置三个显式动态分析步；在Interaction模块中设置模型中各零件间的接触关系；将模型中连接件之间的轴向接触力CFN3作为夹紧力输出；设置耦合约束；定义边界条件；施加载荷；提取模型中连接件之间夹紧力的变化。本发以接近实际工况的加载方式，施加载荷，以保证计算结果的准确性，可以简便的得到连接件间预紧力随时间的变化曲线，计算结果准确度较高。

Description

一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿 真方法
技术领域
本发明涉及一种横向激励下螺栓连接结构松动有限元仿真方法，更具体地说，涉及一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法。
背景技术
螺纹联接广泛存在于各类机械结构中，是最常用的紧固手段之一。振动环境中工作的螺纹联接结构会出现夹紧力的持续下降，即螺栓松动，成为重大安全隐患，尤其是横向(与螺栓轴线垂直的方向)振动载荷是导致螺纹连接结构松动最主要的原因。当受到横向(与螺栓轴线垂直的方向)振动载荷时，随着振动力增大、螺栓副间的摩擦系数减小，破坏了螺纹自锁条件而有微量的相对滑动，导致螺母自动回转松动。在某些极端情况下，横向载荷的松脱可以导致螺栓预紧力降低30％-40％。因此研究螺纹连接结构在承受横向交变载荷的情况下的松脱规律，对于工程实际具有重要意义。
螺栓连接结构预紧力松弛情况可分为拧紧后不受外力时的自松弛和外力作用下的预紧力松动情况。在不受外力作用下的自松弛阶段，螺栓会由于螺栓杆部扭转变形、螺纹牙底的塑性变形等原因导致预紧力的下降；在外力作用阶段初期，螺栓连接结构预紧力会由于外力单次大循环和材料的棘轮效应，导致的螺纹牙底塑性变形，而产生较大的下降，而后进入相对稳定的状态，预紧力保持稳定，最后由于螺栓材料的疲劳失效，导致螺栓疲劳断裂或螺牙断裂脱落，预紧力消失，螺栓连接结构失效。因此，在分析螺栓松动规律时，应分阶段讨论预紧力在不同阶段下的松动影响因素。
目前，针对横向激励下螺栓连接结构松动有限元方法，要么在施加螺栓初始预紧力时，采用降温法或截面预紧力施加法，没有考虑实际的拧紧过程，要么在拧紧后没有螺栓自松弛过程。降温法或截面预紧力施加法在螺栓初始预紧力静强度分析中，得到了很好的效果。但对于具有螺旋升角的螺纹连接结构在承受横向交变载荷下的松动情况来说，并不能反映螺栓的弹性扭转变形，而螺纹拧紧过程中导致的螺栓扭转弹性变形是影响螺栓连接结构横向振动初期松动的重要原因之一，因此，实际的拧紧过程和螺栓结构的自松弛，应考虑在有限元仿真方法之中。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法。本发明以更加贴近实际的转角法施加预紧力，以保证计算结果更加准确。同时，本发明可以简便的提取连接件之间的预紧力随时间的变化情况。本发明采用的技术手段如下：
一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，所述螺栓连接结构包括螺母、螺栓、上连接板和下连接板，具有如下步骤：
S1、利用HYPERMESH参数化建模建立的带有螺纹升角的螺栓连接结构各零件的六面体网格有限元模型，保证模型准确性；
S2、将所述模型导入ABAQUS中；
S3、定义所述模型中各零件的材料截面属性(Section)，赋予所述模型的材料特征，本发明设置了所述模型的塑性材料参数，考虑了材料的塑性变形；
S4、设置三个显式动态(Dynamic Explicit)分析步：Step-1、Step-2和Step-3，并分别设置分析时间；
其中，Step-1为转角法螺栓拧紧分析步，Step-2为撤销约束后螺栓自松弛分析步，Step-3为施加横向位移载荷分析步；
S5、在Interaction模块中设置所述模型中各零件间的接触关系：使用罚函数接触算法(Penalty contact method)，能更好的模拟接触面之间的切向运动，设置通用接触(General contact)；
设置所述模型中各零件间的滑移方式为有限滑动(Finite sliding)，并设置摩擦系数，所述摩擦系数(以实际螺栓为对象，通过实验得到的准确数值)的计算公式如下：
其中，K为扭矩系数，d为螺纹公称直径，d2为螺纹中径，p为螺距，dkm为端面平均直径；
S6、将所述模型中连接件之间的轴向接触力CFN3作为夹紧力输出；
S7、设置耦合约束(Coupling)：建立参考点RP1，与所述螺母外圆柱面节点定义运动耦合约束(Kinematic Coupling)，选择U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3六个自由度；
建立参考点RP2，与所述上连接板与一侧面上的节点建立运动耦合约束(Kinematic Coupling)，选择U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3六个自由度；
S8、定义边界条件：在所述螺栓的头部外圆柱面节点设置完全固定约束(ENCASTRE)，即六个自由度U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3全部为0，在Step-1保持不变，Step-2、Step-3Inactive状态；
在所述下连接板的四个边所有节点设置Displacement/Rotation约束，在Step-1中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U3不为0；在Step-2、Step-3中，自由度U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0；
在参考点RP1设置Displacement/Rotation约束，在Step-1中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝0，U3、UR3不为0，Step-2、Step-3Inactive状态；
在参考点RP2设置Displacement/Rotation约束，在Step-1、Step-2中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U3不为0；在Step-3中，设置自由度U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U1、U3不为0；
S9、施加载荷(Load)：在Step-1中，在参考点RP1自由度UR3上施加转角载荷，以转角法施加预紧力；
在Step-2中，保持所述下连接板固定，并不施加载荷；
在Step-3中，参考点RP2上施加正弦位移载荷；
以上载荷可根据所述模型本身及实际工况需要，按情况设置。
S10、提取所述模型中连接件之间夹紧力的变化。
所述步骤S1中，所述模型螺纹处的网格划分更细，计算结果更加准确。
所述步骤S3中，所述模型的材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比和塑性参数。
所述步骤S4中，Step-1、Step-2和Step-3，分别对应螺栓拧紧阶段、拧紧之后的自松弛阶段、横向外载下的螺栓松动阶段三个阶段。这样更符合螺栓结构实际工作状态，更有利于螺栓连接结构松动规律的多阶段、全过程仿真。
所述步骤9中，在参考点RP1上施加转角载荷。参考点RP1与螺母外圆面节点耦合，以转角法拧紧施加预紧力，不同于降温法和截面预紧力施加法等其他预紧力施加方法，以更加贴近实际的拧紧方式施加预紧力，保证计算结果更加准确。
本发明提供的一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，以接近实际工况的加载方式，施加载荷，以保证计算结果的准确性。本发明可以简便的得到连接件间预紧力随时间的变化曲线，计算结果准确度较高。
基于上述理由本发明可在连接结构分析方法等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中模型的结构示意图；
图2是本发明的具体实施方式中模型螺纹处更细的网格划分示意图；
图3是本发明的具体实施方式中参考点RP1、RP2的运动耦合约束示意图；
图4是本发明的具体实施方式中模型的边界约束示意图；
图5是本发明的具体实施方式中转角法施加预紧力拧紧后，模型螺纹处应力云图；
图6是本发明的具体实施方式中转角法施加预紧力过程中，预紧力上升曲线图；
图7是本发明的具体实施方式中为横向位移载荷施加1s，预紧力变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图7所示，一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，所述螺栓连接结构包括螺母、螺栓、上连接板和下连接板，本发明以45钢为连接件，8.8级M10标准普通螺栓连接结构为例，基于HYPERMESH参数化建模建立的准确的带有螺纹升角的螺栓连接结构各零件的六面体网格有限元模型进行仿真，具有如下步骤：
S1、利用HYPERMESH参数化建模建立的带有螺纹升角的螺栓连接结构各零件的六面体网格有限元模型，保证模型准确性；
S2、将所述模型导入ABAQUS中；
S3、定义所述模型中各零件的材料截面属性，赋予各零件材料特性，本发明设置了所述模型的塑性材料参数，考虑了材料的塑性变形；
S4、设置三个显式动态(Dynamic Explicit)分析步：Step-1、Step-2和Step-3，并分别设置分析时间；
其中，Step-1为转角法螺栓拧紧分析步，Step-2为撤销约束后螺栓自松弛分析步，Step-3为施加横向位移载荷分析步；
S5、在Interaction模块中设置所述模型中各零件间的接触关系：使用罚函数接触算法(Penalty contact method)，能更好的模拟接触面之间的切向运动，设置通用接触(General contact)；
设置所述模型中各零件间的滑移方式为有限滑动(Finite sliding)，并设置摩擦系数，所述摩擦系数(以实际螺栓为对象，通过实验得到的准确数值)的计算公式如下：
其中，K为扭矩系数，d为螺纹公称直径，d2为螺纹中径，p为螺距，dkm为端面平均直径；
S6、将所述模型中连接件之间的轴向接触力CFN3作为夹紧力输出；
S7、设置耦合约束(Coupling)：建立参考点RP1，与所述螺母外圆柱面节点定义运动耦合约束(Kinematic Coupling)，选择U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3六个自由度；
建立参考点RP2，与所述上连接板一侧面上的节点建立运动耦合约束(KinematicCoupling)，选择U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3六个自由度；
S8、定义边界条件：在所述螺栓的头部外圆柱面节点设置完全固定约束(ENCASTRE)，即六个自由度U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3全部为0，在Step-1保持不变，Step-2、Step-3Inactive状态；
在所述下连接板的四个边所有节点设置Displacement/Rotation约束，在Step-1中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U3不为0；在Step-2、Step-3中，自由度U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0；
在参考点RP1设置Displacement/Rotation约束，在Step-1中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝0，U3、UR3不为0，Step-2、Step-3Inactive状态；
在参考点RP2设置Displacement/Rotation约束，在Step-1、Step-2中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U3不为0；在Step-3中，设置自由度U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U1、U3不为0；
S9、施加载荷(Load)：在Step-1中，在参考点RP1自由度UR3上施加转角载荷，以转角法施加预紧力；
在Step-2中，保持所述下连接板固定，并不施加载荷；
在Step-3中，参考点RP2上施加正弦位移载荷；
以上载荷可根据所述模型本身及实际工况需要，按情况设置。
S10、提取所述模型中连接件之间夹紧力的变化。
所述步骤S1中，所述模型螺纹处的网格划分更细，计算结果更加准确。
所述步骤S3中，所述模型的材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比和塑性参数。
所述步骤S4中，Step-1、Step-2和Step-3，分别对应螺栓拧紧阶段、拧紧之后的自松弛阶段、横向外载下的螺栓松动阶段三个阶段。这样更符合螺栓结构实际工作状态，更有利于螺栓连接结构松动规律的多阶段、全过程仿真。
所述步骤9中，在参考点RP1上施加转角载荷。参考点RP1与螺母外圆面节点耦合，以转角法拧紧施加预紧力，不同于降温法和截面预紧力施加法等其他预紧力施加方法，以更加贴近实际的拧紧方式施加预紧力，保证计算结果更加准确。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，所述螺栓连接结构包括螺母、螺栓、上连接板和下连接板，其特征在于具有如下步骤：
S1、利用HYPERMESH参数化建模建立的带有螺纹升角的螺栓连接结构各零件的六面体网格有限元模型；
S2、将所述模型导入ABAQUS中；
S3、定义所述模型中各零件的材料截面属性，赋予各零件材料特性；
S4、设置三个显式动态分析步：Step-1、Step-2和Step-3，并分别设置分析时间；
其中，Step-1为转角法螺栓拧紧分析步，Step-2为撤销约束后螺栓自松弛分析步，Step-3为施加横向位移载荷分析步；
S5、在Interaction模块中设置所述模型中各零件间的接触关系：使用罚函数接触算法，设置通用接触；
设置所述模型中各零件间的滑移方式为有限滑动，并设置摩擦系数，所述摩擦系数的计算公式如下：
其中，K为扭矩系数，d为螺纹公称直径，d2为螺纹中径，p为螺距，dkm为端面平均直径；
S6、将所述模型中连接件之间的轴向接触力CFN3作为夹紧力输出；
S7、设置耦合约束：建立参考点RP1，与所述螺母外圆柱面节点定义运动耦合约束，选择U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3六个自由度；
建立参考点RP2，与所述上连接板一侧面上的节点建立运动耦合约束，选择U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3六个自由度；
S8、定义边界条件：在所述螺栓的头部外圆柱面节点设置完全固定约束，即六个自由度U1、U2、U3、UR1、UR2、UR3全部为0，在Step-1保持不变，Step-2、Step-3Inactive状态；
在所述下连接板的四个边所有节点设置Displacement/Rotation约束，在Step-1中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U3不为0；在Step-2、Step-3中，自由度U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0；
在参考点RP1设置Displacement/Rotation约束，在Step-1中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝0，U3、UR3不为0，Step-2、Step-3Inactive状态；
在参考点RP2设置Displacement/Rotation约束，在Step-1、Step-2中，设置自由度U1＝U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U3不为0；在Step-3中，设置自由度U2＝UR1＝UR2＝UR3＝0，U1、U3不为0；
S9、施加载荷：在Step-1中，在参考点RP1自由度UR3上施加转角载荷，以转角法施加预紧力；
在Step-2中，保持所述下连接板固定，并不施加载荷；
在Step-3中，参考点RP2上施加正弦位移载荷；
S10、提取所述模型中连接件之间夹紧力的变化。
2.根据权利要求1所述的考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述模型螺纹处的网格划分更细。
3.根据权利要求1所述的考虑螺纹实际切向力状态的螺栓连接结构松动有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤S3中所述模型的材料属性包括材料密度、弹性模量、泊松比和塑性参数。
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