螺纹连接预紧力有限元分析及实验研究
螺纹联接的预紧力及防松
螺纹联接的预紧力及防松摘要：本文主要针对普通螺纹联接的预紧力、防松问题进行分析研究，从而得出可靠的确定用螺栓联接体的预紧力和防松方法。
关键词：螺纹；螺纹联接；预紧力；防松The Pre-stressing Force and Loosening Prevention of Screw Thread CouplingChen Xin Hua(Sinacom Engineering & Manufacturing Group, Shanghai, 201108)ABSTRACT: The analysis of the pre-stressing force and the problem about preventing loosening to common coupling bolts is carried out in this paper. From this passage we can find the way of how to determining the value of bolts’pre-stressing force, also we can know the method of preventing bolts loosening.KEYWORDS: Screw thread, Coupling bolt, Pre-stressing force, Prevent loosening1 前言当今世界，随着微电子、信息工程、网络、航空航天、太空等领域的新兴技术崛起和发展，引起传统技术领域内如机械制造业的剧烈变化，并对最基本的机械零件之一——紧固件的发展也产生了深远的影响。
螺栓）螺母体联接，作为最常用的紧固件之一，在这些新兴技术不断发展的冲击下，顺应着时代的潮流，其机械连接、紧固的安全性方面要求更高，并不断地更新和发展。
众所周知，螺栓螺母体联接是紧固件连接中最基本、最常见的一种结构形式，有着构造简单、成本低、连接可靠、制造装拆方便等诸多优点，在现代工业中被广泛应用。
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究为简化传统力学对螺栓进行强度校核的计算过程，提高计算结果的直观性，采用了一种螺栓的有限元ANSYS的简化模拟分析，为了验证有限元简化模拟分析的准确性，利用传统力学的解析法对螺栓的强度进行校核，结果发现，此螺栓的有限元简化模型的模拟仿真结果与理论计算结果保持一致，说明对于螺栓强度的校核，此简化方法是有效的，对于工程应用具有重要的借鉴意义。
标签：螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真0 引言螺栓连接具有结构简单，调整简便，可反复拆卸等优点，是目前最为常用的工程结构的连接方式。
但是在复杂的工程应用过程中，由于交变载荷的作用，在振动、冲击等干扰因素作用下，往往对螺栓产生严重的破坏，螺栓的强度将直接关系到设备的正常使用及使用的安全性[1]。
与运用经典的理论力学相关知识对螺栓的强度进行校核相比，主要借助于理论分析，通过经验公式等进行校核计算，在计算过程中，对螺栓的整体受力情况及受力位置等考虑并不全面，此外，并不能完全的显示各个位置的受力状况，不能很好地用于指导实践。
通过有限元分析软件，可以轻松的分析整个螺栓的受力状况，计算结果更加直观地展现，而且计算工作量大大降低，因此，有限元软件越来越多的被应用到螺栓的校核中[2-4]。
1 螺栓连接的失效机理分析螺栓连接所受的载荷包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等，其受载形式主要为轴向力与横向力。
在轴向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范围，螺栓杆将会产生塑性变形甚至将断裂；在横向力的作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或者螺栓杆被剪断等。
本研究主要对螺栓的强度进行分析，对于受拉力载荷的连接螺栓来说，发生破坏的位置主要在于螺纹的小径位置，对于这种螺纹连接，其主要的设计准则为保证螺栓具有足够的静力强度。
螺栓连接中，最为常见的受理方式为预紧力与工作拉力同时存在的情况，螺栓在轴向拉力作用下，螺栓跟连接件都会产生弹性变形，因此，螺栓所受到的总拉力并不是预紧力跟工作拉力之和。
发动机气缸体螺纹联接强度有限元分析
第12卷第4期2005年8月工程设计学报Journa l of Eng i neer i ng D esignV o l .12N o.4A ug .2005收稿日期:2005203214.作者简介:高 斌(1977-),男,湖南常德人,博士生,从事有限元分析、CAD &CG 及优化设计等研究,E 2m ail :gaobin -hunan @ho tm ail.com .发动机气缸体螺纹联接强度有限元分析高 斌1,2,宋小文1,卢 斌1,郝勇刚1,胡树根1,俞小莉1(1.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027;2.湖州师范学院信息工程学院,浙江湖州313000)摘 要:针对发动机设计中螺纹联接强度计算的问题,采用有限元通用程序ABAQU S STANDA RD ,研究气缸体螺纹区域强度准确计算的方案,即通过简化后的装配体模型计算螺栓在工作载荷下的受力,然后将获得的螺栓受力做为载荷边界条件施加在带螺纹的局部模型中,计算螺栓和缸体螺纹区域的应力Λ网格划分时,在局部模型中将缸体简化,并将螺柱分为两部分,之后皆用六面体单元进行网格划分以减小计算量、提高准确性Λ最后通过实例对某气缸体螺纹区域在预紧状态、峰值燃烧压力作用下的应力进行计算与分析,验证该计算方案的可行性Λ该方案为今后发动机的螺纹联接设计和计算提供一条可行的路径,且对相关的工程实际应用具有很强的指导意义Λ关键词:气缸体螺纹;强度;非线性;有限元;ABAQU S中图分类号:T K 422.4 文献标识码:A 文章编号:10062754X (2005)0420227205FEA of screw thread connection strength i n eng i ne cyl i nder blockGAO B in1,2,SON G X iao 2w en 1,LU B in 1,HAO Yong 2gang 1,HU Shu 2gen 1,YU X iao 2li1(1.Co llege of M echanical and Energy Engineering ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310027,Ch ina ;2.Co llege of Infom ati on Engineering ,H uzhou T eachers Co llege ,H uzhou 313000,Ch ina )Abstract :A i m ing at the calcu lating p rob lem of screw th read connecti on strength in engine design ,by adop ting FEA app licati on ABAQU S STANDA RD ,a schem e fo r accu rately com pu ting strength of screw th read area in cylinder b lock is studied ,w h ich m ean s to com pu te bo lt bearing fo rces under w o rk ing load th rough si m p lified assem b ly m odel.T he acqu ired bo lt bearing fo rce ,regarded as load distribu ti on ,w ill be app lied to the local m odel w ith th read to com pu te the th read stress distribu ti on around the bo lt and cylinder b lock .In m esh ing schem e ,the si m p lified cylinder b lock and bo lt ,divided in to tw o p arts in local m odel ,w ere m eshed by hexahedral elem en ts to save com p u tati on co st and i m p rove com p u tati on accu racy .F inally ,stress distribu ti on fo r th read in engine cylinder b lock in p re 2ten si on load case and p eak 2com bu sti on 2p ressu re load case are calcu lated and analyzed to verify th is m ethod .It p rovides a w ay fo r design and calcu lati on ofth read connecti on in engines and gives reference to the p ractical app licati on of related p ro ject .Key words :cylinder b lock th read ;strength ;non linear ;fin ite elem en t ;ABAQU S 安全、环保、节能是21世纪汽车设计的主要发展方向,发动机作为汽车的心脏,对汽车的发展具有重要作用Λ一个综合指标好的发动机,不仅要求具有低的燃油消耗和排放污染以及高的可靠性,同时要求更小的体积和重量Λ目前一些发动机厂家通过对缸盖、气缸体等重要结构件采用铝合金材料制造,以降低发动机的重量Λ铝合金材料具有重量轻、导热性好的优点,但其机械性能与灰铸铁相比略差,因此在设计时,需采用一些特殊的设计方法,以保证其可靠性Λ强力丝对的螺纹联接是发动机中重要联接方式,它的可靠性直接关系到内燃机的工作可靠性,是发动机设计中的一个基本问题Λ对于螺栓联接件的强度、刚度进行计算一般有两种方式Λ一种是通过经验公式计算螺栓的受力[2,3],这种计算方法不能反映螺栓联接件的应力分布状况;另一种是通过有限元的方法[4～7]来计算和分析螺栓联接件的应力分布状况Λ目前在利用有限元方法分析、模拟螺栓联接件的受力时,大多数是采用简化螺栓模型的方法,即采用梁单元模拟实际的螺栓,并采用耦合自由度的办法来体现螺栓的连接作用,这样可以大量节约计算机资源,但在自由度耦合处附近的应力、应变分布计算结果不准确;还有一种是按照实际尺寸做出螺栓的模型,用连续介质单元进行网格划分,这样可以使有限元模型准确,精确得到螺栓零件的应力、应变,但常规的网格模型处理方法导致模型自由度过多,造成计算机资源的巨大浪费Λ而且,就目前已发表的文献来看,还没有文献对气缸体螺纹的强度进行分析,而气缸体螺纹的强度是螺栓联接结构优化设计中最关心的问题之一,气缸体螺纹的强度计算涉及几何非线性和接触非线性,以前由于计算资源和非线性有限元理论的限制,气缸体螺纹强度的研究一直没法进行,现在这两方面都有非常大的进展,因此,本文将以某发动机气缸体螺纹联接为例,利用具有非线性分析能力的商用有限元分析软件——ABAQU S ,研究气缸体螺纹区域应力的计算方法Λ1 几何模型的建立为计算气缸体螺纹在峰值燃烧压力作用下的应力分布,根据某发动机的结构特点(单缸结构对称),将其几何模型简化为1 4缸,其装配几何模型如图1所示,图1左图上部表示缸盖,下部表示缸体Λ图1 装配体几何模型F ig .1 A ssem ble geom etrical model由于装配体模型涉及太多的接触约束且带有复杂的螺纹,导致直接计算该装配体螺纹的接触应力非常困难Λ为此,本文将计算过程分为两步:通过简化后的装配体计算两个螺栓分别在预紧状态和峰值燃烧压力作用下的受力情况;然后将获得的螺栓受力做为载荷边界条件施加在带螺纹的局部模型中,分别计算两个螺栓和缸体的螺纹接触应力情况Λ1.1 装配体几何模型简化在装配体模型中,将通过施加预紧力的方式模拟螺栓的联接作用,所以将缸盖顶部的螺母、垫圈与双头螺柱做成一体,形成一个有头的螺栓;去掉双头螺柱和气缸体各自下端的螺纹,如图2左图所示Λ图2 网格模型(1)F ig .2 E lem ent model (1)1.2 带螺纹的局部几何模型构建由于只是分析气缸体螺纹区域的应力分布,为了便于高质量地划分网格,将模型中气缸体部分可以在保留内螺纹的情况下,简化成一个如图3中图所示的形体;同时将两个双头螺柱上部的螺纹部分去掉,然后将两螺杆与各自的简化缸体进行装配,得到螺纹局部几何模型,如图3右图所示为网格装配模型Λ图3 网格模型(2)F ig .3 E lem ent model (2)2 网格模型的建立划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,它要求考虑的问题较多,工作量较大Λ划分网格的形式对计算精度和计算规模将产生直接影响Λ实体单元的网格形式有四面体、五面体、六面体,从计算精度和计算效率来说,六面体的最高,五面体和四面体次之Λ对于简化后装配体模型中的各零件,可以全部用六面体单元进行网格划分,这样可以减少单元数目,提高计算效率和计算精度Λ划分后的网格模型如图2中的左图所示Λ・822・工 程 设 计 学 报第12卷 对于局部模型中的螺栓网格划分,由于带有复杂的螺纹形状,直接划分螺栓只能以四面体单元进行网格划分Λ且由于螺纹尺寸相对于整个螺栓来说比较小,为在螺纹附近得到比较好的计算精度,必然导致螺栓网格数量的大大增加,将近6万多个单元;螺纹的复杂几何形状会导致螺纹附近的四面体单元质量比较差,计算精度大打折扣,计算结果的可靠性也就不能保证Λ为减少计算量同时又比较准确地得到螺栓螺纹附近的应力分布,将整个螺栓分为两部分进行网格划分,即下部的螺纹部分(图3中的左图)、中间的螺杆部分(图2中的右图)Λ螺柱分为两部分后,都可以使用以六面体为主的网格划分,且螺纹部分可用较密的网格划分,螺杆可用较稀疏的网格进行划分,然后通过在边界条件中施加约束(粘结)关系将两个网格模型连在一起,组成整个螺柱的网格模型(图2中的中图)Λ这样的网格划分方案不仅导致了网格数量的大量减少(14000多个单元),而且螺纹部分用六面体进行网格,保证了网格质量,从而提高该区域的计算精度,因此也就保证了最终计算结果的可靠性Λ对于局部几何模型中带螺纹的气缸体,可直接用六面体为主的网格进行划分(图3中的中图),最后将螺柱网格模型和缸体网格模型装配在一起,得到带螺纹的局部装配体网格模型(图3中的右图)Λ3 边界条件的施加3.1 零件的材料性能气缸体、缸盖材料:铝合金,材料密度为2.6×103kg m3,弹性模量为68.7GPa,泊松比为0.3;螺柱材料:42C r M o,密度为7.82×103kg m3,弹性模量为206GPa,泊松比为0.28Λ3.2 装配体模型约束边界条件在缸盖和气缸体的两个端面施加对称边界条件,气缸体下端固定,在两个螺母的下表面分别与缸盖上表面施加接触约束,缸盖下表面与缸体上表面施加接触约束,摩擦系数为0.15Λ3.3 装配体模型载荷边界条件3.3.1 预紧状态载荷条件在现实中螺纹的预紧力是通过预紧力矩来控制的,由于螺栓拧紧后螺杆部分只受拉力作用,为简化计算,将预紧力矩转化为预紧拉力按照ABAQ YS中施加预紧力的方式在两个螺柱的下端施加预紧力,方向竖直向下(粗螺柱预紧力为105kN,细螺柱预紧力为55kN),模拟预紧工况Λ3.3.2 峰值燃烧压力状态载荷条件在ABAQU S中修改两螺柱预紧力的参数设置,以使预紧后的螺柱能在其他外载荷的作用下真实变形;再在缸盖下表面施加15.5M Pa的峰值燃烧压力,模拟预紧载荷和峰值燃烧压力的叠加作用Λ3.4 局部模型约束边界条件将气缸体下部固定,在两螺柱的外螺纹面和气缸体对应的内螺纹面之间施加接触约束,摩擦系数为0.15;本文中的螺柱是分为两个部分进行网格划分的,因此在每根螺柱的螺杆(图2右图)和螺纹(图3左图)部分的接触面之间施加tie(粘结)约束Λ3.5 局部模型载荷边界条件3.5.1 预紧状态载荷条件在两个螺柱的上端分别施加拉力(粗螺柱预紧力为105kN,细螺柱预紧力为55kN),方向竖直向上,模拟预紧工况Λ3.5.2 峰值燃烧压力载荷条件由于在装配体模型中已经计算得到两个螺柱在两种状态下的应力分布(图4),两个螺柱的预紧应力分别为:粗螺柱480M Pa,细螺柱620M Pa;在预紧载荷和峰值燃烧压力共同作用下两螺柱的应力分别为:粗螺柱503M Pa,细螺柱643M PaΛ结合应力状况和两个螺杆的横截面面积可以很方便地得到两个螺柱在预紧载荷和峰值燃烧压力共同作用下的受力情况:粗螺柱为114170.94N,细螺柱为61106.35NΛ因此,在局部模型的峰值燃烧压力工况下,分别给粗螺柱上端施加114170.94N给细螺柱上端施加61106.35N的总载荷,方向竖直向上,模拟预紧载荷和峰值燃烧压力共同作用的效果Λ4 计算结果及分析图4和图5(各自右图为放大图)为装配体模型中两个螺柱在预紧状态和峰值燃烧压力作用下的应力分布情况,通过计算这两种状态下的应力分布,可以比较准确地得到两个螺栓在两种状态下的受力情况,为后续的局部模型施加正确的载荷条件提供了基础依据Λ图6～9(各自右图为放大图)分别为大螺柱和缸体局部模型中气缸体和螺柱螺纹部分在预紧载荷状态和峰值燃烧压力作用状态下的应力分布情况Λ从应力分布图可以看出,由于螺纹受力不均匀,致使有些局部应力偏高,导致气缸体螺纹变形量较大,加・922・ 第4期高 斌,等:发动机气缸体螺纹联接强度有限元分析图4 装配体中螺柱在预紧状态下应力分布F ig .4 Stress distributi on of bo lts in the assem ble modelunder p re 2tensi on loadcase图5 装配体中螺柱在峰值燃烧压力状态下应力分布F ig .5 Stress distributi on of bo lts in the assem ble modelunder peak 2com busti on 2p ressure loadcase图6 局部模型中缸体螺纹在预紧状态下的应力分布图F ig .6 Stress distributi on of cylinder block th read in thelocal model under p re 2tensi on load case剧了气缸体螺纹的磨损,降低了内燃机的可靠性,可以考虑采用其他的螺纹连接方式来改变螺纹部分的受力状况,比如文献[7]中提到的添加粘结剂的间隙配合螺纹连接方式,可以使螺纹受力比较均匀,降低缸体部件的最大应力值,提高内燃机的可靠性Λ5 结 论采用本文方法对气缸体和螺栓之间的螺纹区域图7 局部模型中缸体螺纹在峰值燃烧压力状态下的应力分布图F ig .7 Stress distributi on of cylinder block th read in thelocal model under peak 2com busti on 2p ressure loadcase图8 局部模型中大螺柱螺纹在预紧状态下的应力分布图F ig .8 Stress distributi on of the large bo lt th read in thelocal model under p re 2tensi on loadcase图9 局部模型中大螺柱螺纹在峰值燃烧压力状态下的应力分布图F ig .9 Stress distributi on of the large bo lt th read in thelocal model under peak 2com busti on 2p ressure load case的强度进行分析计算,可以比较准确、真实地获得被连接气缸体螺纹部分的应力、应变分布,不但合理地简化了模型,节约了计算机资源,而且可方便地模拟装配体螺栓在预紧状态和峰值燃烧压力作用下的应力分布,并可进行复合工况的计算,效果很好,具有很强的实际应用价值Λ在今后的相关研究中,还可以继续在本文研究方法的基础上考虑热负荷计算以及疲劳寿命计算,以便更真实地了解气缸体螺纹的受・032・工 程 设 计 学 报第12卷力状况以及疲劳寿命状况Λ参考文献:[1]濮良贵,纪名刚.机械设计(第六版)[M].北京:高等教育出版社,1996.PU L 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(完整)螺栓连接的有限元分析
1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一.其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。
在航空机载环境下，由于振动冲击的影响,设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。
螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性.传统力学的解析方法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MSC。
Patran/MSC。
Nastran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.2 有限元模型的建立对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。
多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接.在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent），另外一个节点为主节点(Independent)。
主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。
比例因子选为1，使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用.梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam,其能承受拉伸、剪切、扭转。
通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致.本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
2.1 几何模型如图1所示组合装配体，底部约束。
两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定.端面受联合载荷作用。
图1 三维几何模型2。
2 单元及网格抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元(shell），设置壳元厚度等于实际壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。
在法兰上下两节点之间建立多点约束单元（RBE2，算例1，图3）或梁元(Beam, 算例2,图4)来模拟该位置处的螺栓连接。
螺纹联接轴向预紧力试验分析
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螺栓联接的预紧力与疲劳强度的讨论
螺栓联接的预紧力与疲劳强度的讨论轴向拉力作用下螺栓联接的失效多数为疲劳失效。
统计表明百分之九十以上螺栓失效都与应力集中作用产生的疲劳失效有关。
由于螺栓联接是一个多接触面的弹塑性接触问题，在重复加载作用下的应力应变关系十分复杂，并且影响疲劳强度的参素众多，因此，直接通过对螺纹的应力应变分析来计算螺栓联接的疲劳强度的实用意义不大。
通常的做法是先计算出外力与预紧力作用下螺栓中的平均应力与变化应力，然后对应力集中，尺寸效应等影响疲劳强度的参数进行综合考虑，再应用古德曼法则来计算螺栓联接的疲劳强度。
一般情况下联接件的有效刚度远大于螺栓刚度。
螺栓预紧力的存在，除了使零件之间产生紧密联接，增强联接的刚性之外，还会大幅度降低在拉伸载荷作用下螺杆应力的变化幅度，由此提高了螺栓联接的疲劳强度。
如果预紧力不够大，拉伸载荷有可能超过螺栓联接的预紧力，造成联接件分离，这会使螺栓联接的刚度大幅下降，同时也使应力变化幅度大幅增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。
增大螺栓联接的预紧力，不但能降低联接件在载荷作用下产生分离的风险，还能提高螺栓联接的防松能力，防止预紧力在重复外力作用下变小。
以下分析从疲劳强度计算的角度来讨论螺栓联接预紧力对螺栓联接疲劳强度安全系数的影响。
1/ 71 螺栓联接疲劳强度安全系数计算螺栓联接的疲劳强度可通过古德曼准则作近似计算。
在周期循环应力作用下，根据古德曼准则，金属零件的持久极限疲劳强度曲线可由下式决定：其中，Sa，Sm为古德曼持久极限疲劳强度线上任一点上对应的交变应力与平均应力，Su为材料的抗拉强度，Se为零件的综合疲劳极限强度。
零件的持久极限疲劳强度安全系数的计算与应力的加载路径有关。
对比例加载，零件持久极限疲劳强度设计的安全系数可用持久极限疲劳强度曲线上的应力幅度Sa与实际应力幅度σa 的比值来定义。
在外力作用为零时，螺栓联接中存在一个预紧力Fi作用。
预紧力在螺杆中产生的平均预应力可通过σi = Fi / At计算，其中Fi 为螺栓联接的预紧力，At为螺杆的有效受力面积。
复合材料结构中螺栓拧紧的有限元仿真研究
ｔｈｒｅａｄｅｄ ｆａｓｔｅｎｅｒｓꎬ ｗｈｏｓｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｅｒｒｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ４％. Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ
１３ ７７２.３
１４ ３０１.８
１７ ７４０.５
１５ ９４０.５
１７ １３１.５
１４ ３９４.０
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１５ ４７７.６
１３ ３５１.２
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｂｏｌｔ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇꎻ ｐｒｅｌｏａｄꎻ ＣＦＲＰꎻ ＦＥＡ
计算模型的可靠性ꎮ
０ 引言
１ 仿真方法
碳纤维 / 环氧树脂基复合材料结构在飞机设计中已经
首先对转矩法原理进行分析ꎬ分析导致预紧力产生偏
获得了大量运用ꎬ并且螺栓连接作为主要的机械连接形
差的主要变量ꎮ 目前在飞机复材结构的装配过程中ꎬ主要
１５ ５６７.９
１６ ７０１.０
１３ ８６０.３
１０ ６１１.９
２１ １６２.６
２０ ８２８.３
１７ ７４５.８
１７ ２２８.８
２.４２
３.０６
螺栓连接预紧力测量技术分析
螺栓连接预紧力测量技术分析省市：湖南省株洲市邮编：412007摘要：在螺栓连接预紧力测量中，工作人员要对不同测量技术有正确认识，明确定性测量技术方式，以及定量测量方式中植入应变片式螺栓预紧力测量技术，植入光纤式螺栓预紧力测量技术的具体优势，从而根据螺栓具体情况，做好测量工作，将测量误差控制在最小范围内。
关键词：螺栓连接；预紧力；测量技术螺栓组经常会被应用在航天器的关键承力部位中，主要目的是实现紧固连接。
在这一过程中，工作人员需要注意，螺栓预紧力控制工作的开展，会在不同程度上对螺栓连接质量产生直接影响。
因此，要对螺栓连接预紧力测量技术进行合理利用，这样可以对螺栓连接预紧力情况进行科学检测与监测，从而及时发现在螺栓连接预紧力中存在的不合理情况。
针对不合理情况可以给出相应解决措施，避免问题影响范围的进一步扩大。
1、螺栓连接预紧力分析紧固件实际上属于通用的基础产品，在我国工业发展中得到广泛应用，航空航天也不例外，紧固件在很多不同航天型号产品中得到普遍应用，比如，应用在运载火箭、卫星飞船中，在具体应用期间会涉及到很多不同环节。
在航天型号产品中使用的紧固连接件，在实际发射与飞行期间，需要承受很多复杂且苛刻的力学环境，与此同时，还要经受其他因素影响，比如，剧烈的高频震动影响、低频震动影响、噪声影响以及冲击载荷影响等[1]。
基于此，在航天型号产品中，对于此类紧固连接件的稳定性、质量以及安全性有着极高要求，如果出现连接失败情况，那么会对产品性能产生严重情况，甚至无法成功完成任务。
航天型号产品使用的紧固连接，具有使用范围广特点、环境多样特点以及承力条件苛刻特点等。
紧固连接可靠性，会受到紧固件自身性能影响，以及装配质量影响。
在实际紧固件的使用装配、过程监控中，仍然存在一定的风险与技术漏洞情况。
在紧固连接中使用较为普遍的就是螺栓连接方式，比如，在航天器发动机等很多关键性承力部位，主要就是利用螺栓组进行紧固连接。
该种方式主要是基于扭拉关系，通过扭矩扳手或者预置式定力扳手方式，实现对拧紧力矩的全面控制，也就是说，能够实现预紧力的控制。
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螺纹连接预紧力有限元分析及实验研究
摘要：本文运用有限元理论，以ANSYS软件为分析平台，建立了螺栓连接的有限元模型，分析了螺栓在预紧过程中各圈螺纹副的受力情况，通过积分求得了螺纹副间的摩擦力矩，确定了预紧力与预紧力矩之间的关系，并通过实验进行了验证，得到一个可以应用到工程实际中的预紧扭矩系数值，为提高扭矩法控制螺纹连接预紧力的精度和建立各种型号螺栓连接的预紧力—扭矩关系数据库奠定了基础。
关键词：螺纹连接预紧力扭矩系数有限元
1 引言
螺纹连接结构简单，拆装方便，是机械结构中应用最广泛连接方式。
受轴向预紧力的螺纹连接应用最为广泛。
施加合适的螺纹连接预紧力，能提高结构的承载能力、改善结构的应力分布、增加结构的工作可靠性。
预紧力过大，将导致结构承载能力的下降，螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂；预紧力不足，被连接件在载荷作用下会产生间隙或松动，改变螺栓的受力状态，降低螺栓强度，降低疲劳强度。
预紧力控制不均匀，将导致螺栓受力不均，个别螺栓超过设计载荷，导致螺栓组整体强度下降，整个机械结构、设备安装连接失效。
因此，预紧力控制对机械结构显得尤为重要。
目前控制螺纹预紧力的方法有四种，即螺栓伸长法，扭矩法，扭矩—转角法和屈服点法。
螺栓伸长法、屈服点法这二种方法因为其工
程实用性差，控制成本高，现在只在实验室研究中应用；扭矩-转角法则因其设备昂贵，并且应用起来不方便，主要应用于发动机缸盖联接等重要特殊部位。
扭矩法在工程中应用最方便、最广泛，经济性最好，但控制精度需要提高。
目前，通过力矩控制法来控制预紧力是经济型最高的控制方法，并且大范围的应用，但是在通过预紧力与预紧扭矩的关系，求取扭矩系数K值的时候，螺纹连接采用的是简化模型，认为整个螺旋副上的受力均等，这个模型有很大的局限性，因为实际情况，每圈螺纹的受力情况都是不同的，从而求得的K值不准确，从而预紧后得到预紧力的离散度大，使得扭矩控制法的精度受到影响。
往往在实际操作中，有很多螺纹没有达到预紧目的，对设备运行的可靠性影响很大。
本文通过有限元分析得到螺旋副上的受力变化曲线，通过积分得到螺旋副间的摩擦力矩，力求使得整个计算更加的精准，使得扭矩控制法的控制精度得以提高。
2 螺纹连接预紧力有限元分析
2.1螺纹连接的力学有限元模型的建立：根据螺纹连接的尺寸及特点，利用ANSYS软件，建立螺纹连接的有限元模型，得到螺纹连接各部分的真实受力情况，并与传统的计算方法进行比较分析。
2.2在螺纹连接的三维几何模型上按实际情况进行加载，得到螺栓和螺母各部分的应力、应变如下图所示。
2.3 螺栓的扭矩系数的理论求解与分析：传统的计算方法中，把螺旋副中螺纹牙的受力等效到中径上，且将各圈螺牙的受力简化为相等，本项目则改进上述不足，结合有限元模型中螺栓连接时的实际应力分布情况进行深入分析，使螺栓预紧扭矩系数得到精确处理。
对螺纹副上的摩擦扭矩T1和螺母环形端面与被连接件摩擦扭矩T2的求解，进而得到K的数值解
3 螺纹连接预紧力系数的实验研究
本课题采用扭矩控制法，将理论分析与实验研究相结合。
通过扭矩系数测量装置测量并采集实验数据，用线性拟合的方法进行数据处理，求出扭矩系数。
将实验与理想模型所得的实验数据进行对比分析，得到比较精确预紧扭矩系数K。
3.1螺纹预紧扭矩系数测量装置的研制本测试装置在对不同型号的螺栓进行预紧的过程中，通过传感器采集预紧力和预紧扭矩值，应用数据处理模块即可得到相应的扭矩系数。
本装置可以快速的测试不同直径、不同长度的螺栓的扭矩系数，并实时采集施加的预紧扭矩值和预紧力值，与传统测量方法相比，具有测量精度高，操作方便、安全、稳定，自动化程度较高的特点，具有广泛的推广应用前景。
3.2扭矩系数测量的实验操作与数据采集分析本试验台的数据处理方法为：当用扳手施加扭矩后，产生预紧力和扭矩，通过拉力传感器和扭矩传感器采集数据，采集的数据通过A/D转换器转换后输入到单片机进行处理，通过编程，单片机利用公式
运算得到扭矩系数，并显示在微机显示器上。
3.3建立螺栓连接的预紧力—扭矩关系数据库根据所求的实验数据建立相应的数据表格，应用于工程实际，为不同型号的螺栓预紧提供准确可靠的查询数据库。
4 结论
（1)应用ANSYS分析的螺旋副各圈螺纹的受力状况比各圈螺纹受力均匀模型计算结果更符合实际、精度更高；
（2）根据有限元分析结果，确定了反映螺纹连接预紧力—扭矩关系的扭矩系数；
（3）实验结果表明，由有限元计算结果得出的扭矩系数比传统模型所得值精度更高。
参考文献：
[1] 姜凯，郭连水.基于有限元技术的螺纹有限元联接扭矩系数分析与计算[J].机械工程师.2010(5)
[2] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第八版.西北工业大学机械原理及机械零件教研室2006.5
[3] 张乐乐，苏树强，谭南林。
ANSYS辅助分析应用基础教程[M].清华大学出版社，北京交通大学出版社，2007.12
[4] 刘坤，吴磊.ANSYS有限元方法精解[M].国防工业出版社.2004.8。