机械螺栓法兰连接的有限元力学模型比较研究

机械螺栓-法兰连接结构中存在着复杂的接触、摩擦和预紧等非线性因素.螺栓-法兰连接结构的有限元力学模型应当充分包含这些因素.首先介绍了连接结构接触分析的有限元法理论,然后比较研究了二维轴对称力学模型和三维实体模型在螺栓一法兰连接结构建模中的差剐,之后研究了温度载荷法、过盈配合法和等效外载法等三种不同的螺栓预紧力建模方法.计算结果表明:二维模型在处理螺栓-_法兰连接结构上计算耗费小,但计算精度较三维模型差别较大,结果粗糙;三种预紧力模拟方法都能模拟螺栓预紧载荷,但在适用范围、等效方法和计算精度等方面有区别.     

多螺栓连接结构预紧力实验研究

开展多螺栓连接结构预紧力实验研究,获得了其在纯拧紧力矩作用下的预紧力及其响应规律。研究采用应变片测试方法,首先对单螺栓连接结构进行了预紧力实验,获得了不同拧紧力矩条件下螺杆上的轴向应变、轴向应力及预紧力,并通过与经验公式计算结果比较,验证了预紧力测试方法的合理性。在此基础上,开展了多螺栓连接结构预紧力实验研究。为比较相同拧紧力矩条件下,多螺栓连接结构与单螺栓连接结构预紧力水平间的差异,定义了预紧力比例因子K_(pro)。实验结果表明,由于螺栓组内部各螺栓间的相互影响,其预紧力水平明显低于单螺栓结构,并与螺栓拧紧状态相关。就本文所采用的多螺栓连接结构而言,在拧紧力矩较低、螺栓尚未完全拧紧时,K_(pro)为0.7~0.8,其预紧力水平为单螺栓结构的0.7~0.8倍;当拧紧力矩较高、螺栓处于稳定的拧紧状态时,K_(pr)为0.6左右,其预紧力约为单螺栓结构的0.6倍。     

螺栓固定结合面动态特性的影响因素研究

通过扫频和脉冲激励实验方法研究螺栓固定结合面动力学行为,研究预紧力和外载荷力等因素对螺栓固定结合面振动传递特性的影响。分析结果表明,螺栓连接结构的动力学特性直接受到预紧力和外载荷的影响,并表现出不同程度的非线性。同时,讨论公称直径、螺栓数目等设计参数对螺栓连接力学特性的影响,将焊接连接方式和螺栓连接方式进行了对比分析。     

GFRP夹层结构螺栓连接的多参数分析

针对升降舵前纵墙采用螺栓连接形式的PMI泡沫夹层GFRP结构进行了不同参数下的结构安全性分析。首先通过试验确定PMI泡沫与GFRP复合材料层合板的力学性能,并结合CCAR23部对气动载荷与惯性载荷的要求,对该结构在实际工况下的载荷进行了分析,确定其合适的螺栓预紧力和螺纹副摩擦系数;在此基础上结合装配配合公差(f7/H10),最终确定有限元计算的参数组合。然后根据PMI泡沫和GFRP层合板的力学性能特性,采用ABAQUS软件对PMI泡沫和GFRP复合材料层合板建立夹层结构螺栓连接有限元模型,并结合工况载荷、螺栓预紧力、摩擦系数和装配配合公差计算不同参数组合下结构的安全性。通过分析得到如下结论：(1)螺纹副接触摩擦系数的合理增加可有效减小夹层结构螺栓孔边应力集中,以增加结构的安全性;(2)螺栓与螺栓孔之间间隙的增加会增加孔边应力集中系数,造成结构的安全性减小;(3)在结构安全强度范围内,增加螺栓预紧力可以提高连接结构的连接疲劳强度和可靠性。     

预紧力对紧螺栓连接板位移载荷响应的影响

针对螺栓连接的可靠性和紧密性问题,研究切向载荷作用下预紧力对紧螺栓连接结合面微滑状态下等效刚度以及微滑移-宏观滑移临界响应幅值的影响。以单搭单螺栓连接板为对象,分析结合面接触压力和预紧力的关系,在研究连接板位移载荷特性的基础上,构建螺栓连接板的等效刚度模型;基于有限元法开发变预紧力的单搭螺栓连接板参数化模型,提出位移载荷响应计算方法;探讨预紧力对微滑阶段螺栓连接板的位移-载荷响应的影响,分析预紧力对微滑移-宏观滑移临界响应幅值和等效刚度的作用。结果表明,当连接板自由端位移响应幅值小于0.075 mm时,预紧力变化对位移载荷响应没有影响,螺栓连接板等效刚度渐硬;当位移响应幅值大于0.075 mm时,预紧力对等效刚度影响明显;微滑移-宏观滑移临界响应幅值与预紧力大小呈近似线性关系。当预紧力为[0.15~0.33]F_(0max)(F_(0max)为最大预紧力)或[0.45~0.70]F_(0max)时,预紧力变化对连接刚度影响很小,预紧力对等效连接刚度的影响可达到50%。研究表明,切向载荷作用下的摩擦式螺栓连接,改变预紧力可调节螺栓连接板的等效刚度和微滑移-宏观滑移临界响应幅值,综合考虑可为螺栓连接板的力学设计提供新思路。     

螺距误差下的螺纹副应力分布及其对装配预紧力的影响研究

螺栓连接结构中的螺纹副和端面接触应力分布规律对装配预紧力以及连接可靠性起着关键的作用,螺纹加工过程中所产生的螺距误差使理想条件下的接触应力发生变化,其导致的螺牙啮合顺序变化不仅会影响螺纹副的应力分布还会对端面的应力分布产生影响,使螺栓拧紧过程中的扭矩与预紧力关系也随之发生变化.针对上述现象,以M10螺栓连接为例,建立了考虑螺距误差下的螺牙啮合理论模型,揭示了应力重分布的产生机理;建立了全参数化的螺栓拧紧过程三维有限元模型,分析了不同的螺距误差分布模式对螺纹副应力、端面应力以及螺栓装配预紧力的影响规律,并通过对内外螺距的选配实现了螺纹副应力均匀分布.最后,通过单螺栓拧紧实验建立了螺距误差与螺纹摩擦扭矩、端面摩擦扭矩以及螺栓预紧力的关联关系,验证了仿真模型以及上述理论的准确性.     

大功率碟式太阳能热发电系统地脚螺栓连接结构强度分析

采用Solid W orks三维建模软件建立了碟式太阳能地脚螺栓连接结构三维实体模型,利用A N SY S有限元软件对地脚螺栓进行了不同风载荷工况下的有限元接触强度分析。结果表明:地脚螺栓结构的应力最大峰值出现在0°-0°工况下,且8级风载荷各个风向角下螺栓最大应力波动甚小,螺栓连接结构的平稳性良好。通过对地脚螺栓在施加预紧力和不施加预紧力的情况下进行分析,给出两种螺栓连接区域的应力应变云图,得到300 k N预紧力足够且合适的结论。     

横向载荷作用下螺栓连接松动过程研究

针对横向载荷作用下的螺栓连接松动过程开展研究,给出了面向螺栓松动仿真的建模方法,分析了循环往复载荷作用下接触状态与残余预紧力的变化规律,并研究了载荷作用位置、幅值和频率对螺栓连接松动的影响。分析结果表明：在横向循环载荷作用下,残余预紧力出现交替的上升与下降;螺纹接触面先于螺头承压面进入滑移状态;横向载荷作用在上板或下板对松动没有影响;载荷幅值是影响松动的主要因素,载荷幅值越大松动越容易发生,而加载频率对松动影响较小。本研究分析结果与Junker试验结果一致性良好,可推广到复杂载荷条件下的应用。     

基于有限元的裙板锁螺纹联接数值模拟方法研究

针对螺纹联接预紧力的设计方法及与加载扭矩的关系,提出了基于Abaqus软件的强制角位移载荷加载方法。为提高前处理效率,同时考虑螺纹连接处的结构特点,模型单元类型选择适用于接触分析的C3D8R和C3D10M;接触采用常规接触面定义方法,机械约束形式采用对称罚函数法处理;边界条件依据工程中预紧力的获取方式,在螺栓头部建立刚性单元,通过在刚性单元处施加强制角位移定义预紧力,此法较其他方法更简便且符合实际。最后通过采用该方法对裙板锁螺纹联接结构分析,得出预紧力和扭矩的关系,其结果与实验结果误差小于8%,位于理论计算范围内,证明了此方法的有效性。     

基于有限元法的螺栓连接结构模态参数识别

通过有限元预紧力单元模拟螺栓预紧力的方法计算量较大,不太适合大型螺栓连接结构的工程计算。基于有限元软件MSC./Patran,将螺栓连接结构视为层单元,应用层单元法和多点约束技术对典型的L形螺栓连接结构建立了有限元模型,并完成了模态分析,将模态计算结果与完全刚性连接的一体化简化模型的模态分析结果及实际结构的模态实验结果进行了比较。研究表明,该方法的计算结果与实验结果较一致,且计算量小,为有预紧力作用下螺栓连接结构的有限元计算提供了准确可靠的计算方法。