作者：王 崴, 徐 浩* , 马 跃, 刘晓卫, 徐晓东 (空军工程大学防空反导学院,陕西西安,710051)

出处：空 军 工 程 大 学 学 报(自然科学版) 2014年2月

    螺距和孔隙是螺栓连接的2个非常重要的几何特征,它们不但影响螺栓连接的压力分布和螺纹强度,还对螺栓连接横向振动自松弛具有重要影响。Nassar和Housari[1-2]通过使用线性模型建立螺栓连接自松弛解析模型并进行实验研究发现细牙螺纹较粗牙螺纹不容易发生螺栓连接自松弛,孔隙越大越容易发生螺栓连接自松弛。在他们研究的基础上Nassar和Yang[3-5]使用一种更加精确的解析模型分析了螺距和孔隙对螺栓连接、沉头螺栓连接的横向振动自松弛的影响,并进行了实验验证,得到了相同的影响规律。由于螺纹具有复杂的螺旋结构,建立螺栓连接自松弛解析模型相当困难;开展螺栓连接自松弛实验研究对实验设备的要求非常高,同时实验中在动板和定板之间加入滚珠及将螺栓头固定等处理与实际不符。使用有限元方法对螺栓连接自松弛进行研究能有效地克服以上两者的缺点。使用有限元方法研究螺栓连接自松弛的代表有Hess[6]、Izumi[7]和Jiang[8-9]等。Hess和Izumi等人通过建立三维有限元模型对在横向循环载荷作用下的螺栓连接自松弛进行仿真,提出了螺栓连接自松弛的4种情况:螺纹啮合面和承压面的局部滑移,螺纹啮合面和承压面的完全滑移,螺纹啮合面完全滑移而承压面局部滑移,以及螺纹啮合面局部滑移而承压面完全滑移。Jiang等人在文献[8~9]中使用有限元方法研究了因螺纹根部塑性变形导致的螺栓连接自松弛。但Hess、Izumi和Jiang等人但他们的研究并没有涉及螺距和孔隙对螺栓连接自松弛的影响。为此,本文通过建立三维螺栓连接有限元模型,进行螺栓连接横向振动自松弛有限元仿真,研究螺距和孔隙对自松弛的影响。

1 螺栓连接横向振动有限元解法

    螺栓连接在横向循环载荷作用下的动力学方程如下:

2 仿真模型及方法

2.1 螺栓连接有限元模型

    为了进行螺栓连接横向振动自松弛仿真,建立型号为M12带螺纹的三维螺栓连接有限元模型见图1。模型对螺栓螺母的六角头、倒角等特征进行了简化,将螺栓头简化为直径16.6mm、高7.5mm的圆柱,螺栓总长64 mm;螺母简化为外径16.6mm 内径12 mm 的圆柱形螺母;螺纹采用普通螺纹,牙型角60°,螺距细牙1.5mm(粗牙1.75mm)。2块连接板为尺寸相同矩形板,中间具有直径为12+δ'(δ'/2是孔隙)的圆孔。文中考察3种孔隙尺寸0.5mm(精装配)、0.75 mm(中等装配)和1.25mm(粗装配)对螺栓连接自松弛的影响。模型采用SOLID45单元进行网格划分,对影响计算误差的螺纹部分进行六面体网格划分,和螺纹相连的部分螺栓杆和螺母管进行四面体网格划分,其余部分进行映射网格划分。定义螺栓螺母的材料属性:杨氏弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,密度为7.9×103kg/m3,屈服极限为640Mpa;定义连接物的材料属性:杨氏弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,密度为7.9×103 kg/m3,屈服极限为235 Mpa。在螺栓头承压面、螺母承压面、连接物结合面及螺纹啮合面处建立接触对,将摩擦系数全设置为0.1。

2.2 螺栓连接自松弛仿真方法

    对螺栓连接进行横向振动自松弛有限元仿真,首先需要对螺栓连接进行预紧,然后对预紧后的螺栓连接模型施加横向循环载荷进行瞬态分析。本文中对螺栓连接施加的预紧力为10.73kN;在瞬态分析中,对下板施加随时间变化的横向位移载荷δ(t)=0.2sin(3600t),并设置时间步长为0.0125s,在0.325s后结束仿真。

3 结果分析

3.1 螺距对螺栓连接自松弛的影响

    对孔隙为0.5mm 的不同螺距模型分别进行螺栓连接横向振动自松弛有限元仿真。在仿真结束后,提取上板下表面所有节点的z 向合力作为螺栓连接的残余预紧力,并绘制残余预紧力随循环周期变化的曲线见图2。由图2可知,细牙螺纹预紧力损失速度要稍慢一些,说明细牙螺纹的防松性能要比粗牙螺纹好。提取外界激励幅值处螺纹啮合面和螺母承压面的接触状态见图3,由图可知,粗牙螺纹对应的滑移更加剧烈。这与不同螺距条件下预紧力损失过程相符,同时说明细牙螺纹的螺栓连接不容易发生自松弛。

 

3.2 孔隙对螺栓连接自松弛的影响

    对螺距为1.75mm 的不同孔隙模型分别进行螺栓连接横向振动自松弛有限元仿真。在仿真结束后,提取残余预紧力值,绘制曲线见图4。由图4可知,孔隙越大预紧力损失的速度也越大。提取外界激励幅值处的螺纹啮合面和螺母承压面的接触状态见图5。由图5可知,孔隙越大滑移越剧烈,这与预紧力的损失规律相同,说明孔隙越大,螺栓连接越容易发生自松弛,这也验证了精装配的防松性能最好的逻辑。

4 结论

    通过对不同螺距和不同孔隙的螺栓连接模型进行横向振动自松弛有限元仿真研究,可以得到以下

结论:

1)细牙螺纹的螺栓连接相比粗牙螺纹的螺栓连接不容易发生自松弛;

2)本文的有限元仿真验证了精装配在3种装配中的防松效果最好的逻辑;

3)有限元仿真结果与文献中的研究结果相符,说明了本文建立的螺栓连接有限元模型及仿真方法的正确性,从而为进行螺栓连接自松弛有限元分析提供了一种实现途径,同时为进行其它螺栓连接有限元仿真提供了一种建模方法。