螺栓预紧力的加载方法研究.pdf

A
cademic Research
技术交流
螺栓预紧力的加载方法研究
冷骏
(海年駐上海704所年事代表室,上海200031)
摘要:螺栓预紧力的准确加载对于螺栓应力分析以及螺栓联接组件的受力特性分析起着
至关重要的作用。本文以某型调距桨叶根螺栓为分析模型,在有限元分析软件中建立计算模
采用仿貞分析的方法对螺栓預紧力的加载方法进行研究,建模分析计算表明,两种计算方法均
能有效地模拟螺栓的预紧效果
关键词:蠓栓预紧力;加载方法;有限元分析
中图分类号:TH16文献标志码:A
The Loading Approaches of Bolt Pre-tightening Force
LENG Jun
( Navy Represcnlalive O1lice of NO704 research Instilulc, CSIC, Shanghai 200031, China)
Abstract: he precise oading approaches of e bolt pre-tigtenin are of reat importance to the stress analysis of the bolt and
wh ua d-or analysis charactristic he blo in discreteness e leaf moo bo t he con labe itch propeller ar is akn
as cxample. The calculating mucle/ is constructed by linite element sofware the simulating analysis is applied in the laadin
pproach of the bolt re tightening force the result shows that both of the two approaches could simulate the bolt pre tightening
effective
Key words: boll prc-lighleming force laading approach, inite clement analysis
0引言
的预紧力又使受压后的彼连接件表面的残余压紧力达不
螺栓连接是机械设各中广泛使用的紧固件之一,方使
到工作密封比压,从而导致密封不严,而且受工作載荷后
拆卸、连接緊固,多用于受力复杂部位及重要的接头处
螺栓连接容易因应力幅过大而发生疲劳破环。一般规定预
其使用环境和受力特性表明螺栓往往是此类连接中的薄
紧后的螺栓联接组件中螺栓向截面应力不得大于其材
弱环节。
料屈服极限o的80%。对于一般联接用钢制螺栓,推荐
为了増强连接的性、紧密性、防松能力与疲劳寿命,
用预紧力限值为:碳索钢螺栓,0-(0.60.7o,A:合金钢
多数螺栓连接在装配时须对螺栓施加稳定而可靠的预紧
螺栓,FO=(0.50.604,の为螺栓材料的屈服极限,As
力。所施加的预紧力既要保证螺栓连接的质量要求,又要
为螺栓螺杄小径截面积。
满足螺栓的强度要求。预紧力过大往往会导致联接失效,
在连接结构有限元分析中,螺栓预紧力的准确加载对
特別是在密封连接的情況下,须紧力过大,密封垫片会被
于螺栓应力分析以及螺栓联接组件的受力特性分析起着
压死而失去弹性,甚全会出现螺栓强度不足而断裂:过小
至关重要的作用。本文以某型叶根螺栓为分析模型,在有
作者简介:冷骏(1976-),男,倾士,工程师。研究方向:船舶轮机工程。
32机电设各2013/02
限元软件中建立计算模型,采用仿真分析的方法对螺栓预
在某型调距桨叶根螺栓设计中,螺纹副当量摩擦系数
紧力的加载方法进行研究,并比较不同加载方法计算结果、螺帽与法兰螺孔支承面间的当量摩孫系数均取0.11,
的差异。
通过上述公式换算得出螺栓预紧力为P=68?N,螺栓螺
杆直径为D48mm,截面平均轴向应力为σ
1预紧力加载方法研究
1.1预紧力换算
4D380.7NPa。
调距桨叶根连接组件出叶根法兰、曲柄糍、叶根螺栓
2预紧力加载方法
组成,叶根法兰利曲柄盘道过叶根螺栓连接在一起。为防
在有限元软件MSC.Marc中模拟螺栓预紧力,主要
止承受工作载荷作用后叶根法兰与曲柄盘之回产生篷隙可以通过截面法、渗透接触法、等效力法来实现。其中,
或相对滑移,叶根螺栓在装吋须承受足够的预紧力以满等效力法将螺村所承受的轴向拉力等效为多个集中力或
足联接的可靠性写紧密性。
者一个面压力,然后对预紧螺栓作用的联接结构卢接施加
工程中常用的螺栓预紧方式有测量螺栓仲长量法、测
等效荷裁,这种方法不建立紧螺栓的有限元模型,不能
定螺?旋转角法、以及控制螺栓的拧紧力炉法等,调距桨直观地反映螺栓及其连接件的受力特性。因此,本文拟采
叶根螺栓般通过控制螺栓的拧紧力矩米控制预紧力,采
用截面法、渗透接触法两种方法模拟螺栓预紧力。
用扭矩扳手拧紧螺嚯达到规定的拧紧力矩即表明螺栓预
1.2.1截面法
紧力达到额定值。而在强度校核或其他方面的计算中,须
通过螺杅某处横截面将螺杅截断,分别定义为截面
将拧紧力矩换算成螺栓所受的轴向力
A、B(图2)。在截面外创建一控制点( control nodc),并
与截面A、B建立 overclosure tying连接用以控制截面A、
B的相对位移,在控制点上以边界条件的方式施加预紧力
P,实现对螺栓预紧作的模拟。
预紧力P
conlrol nodc
Side
Side B
图1叶根螺栓拧紧力矩与预紧力的換算关系图
螺栓拧緊吋,拧紧力矩等于螺纹副的螺纹阻力矩及螺
图2截面法施加预紧力示意图
母与被联接件支承面间的端面摩擦力矩之和(图1)。拧
紧力矩与螺栓预紧力间的关系为:
接触法
在预应力钢筋混凝土中頂应力的施加有“先张法”
an(ax+の)+
“后张法”等,渗透接触法即采用与“先张法类似的处理
方法
式中,T为蠓帽所受拧紧力矩,P为螺栓预紧力,dp
建立计算模型时,将有限元模型中螺杆某截面上部结
为螺栓螺纹中径,a为螺纹丌角,P为螺纹副当量摩擦角,
点整体下移一定距离,亦即缩短螺杅长度。然后再将一定
的位移载荷(此位移载荷应大于计算模型中螺栓结点下移
f为螺纹副平血当量摩擦系数,B
距离)以边界条件的方式施加于这些结点上,使得螺栓螺
为螺纹牙型角(对于标准螺纹,B60°),为螺栓帽与法帽下端面高于法兰螺子上端面,此时螺杆被拉长。释放结
兰螺孔支承面间的当量摩擦系数,、分別为螺栓螺帽
点位移裁荷后,经拉伸变形的螺杄有回弹的趋势,此时定
与叶根法接触血环形区域的外径、法兰螺栓孔直
义螺栓蠓幀下沿与法螺孔上沿之间的接触关系,当两者
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