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旋转力矩下螺栓内力的有限元分析

发布于:2023-07-06 20:07
有限元分析

      在有限元分析文献等现行各种机械类手册中,对于作用在结合面上的旋转力矩作用下的摩擦型高强螺栓组连接结构,设定各螺栓的预紧力均等,给出计算公式为式中P0是螺栓中的轴向预紧力,N;T 是旋转力矩,N·m;Kf是可靠性系数,通常取1.1~1.3;μ是连接摩擦副的摩擦因素;r1,r2,…,rn是各螺栓距离旋转中心的距离,m;n是螺栓个数。
      一般,摩擦型高强螺栓是指承受轴向拉力的螺栓,其外直径不大于被连接件的螺孔直径,被连接件之间的横向力通过相互接触表面之间的正压力产生的摩擦力传递。
      分析式(1)可知其来历是:首先假设“旋转力矩作用下,若摩擦型高强螺栓组中各螺栓预紧力相等,则相应的被连接件结合面摩擦力也相等”,即文献所说“在连接的滑动载荷时,每一个单独的紧固件达到最大滑动阻力”;然后就可求出与螺栓组中第i(i=1,2,…,n)颗螺栓对应的被连接件结合面之间的摩擦力为Fi=μP0,该摩擦力对螺栓组旋转中心的力矩就为Ti=Firi=μP0ri;再后就可求出整个被连接件结合面上的摩擦力对旋转中心的力矩为T=μP0(r1+r2+…+rn);最后对该力矩适当放大,即乘以大于1的可靠性系数Kf,再令其与外加旋转力矩T 相等,就得到公式。显然这样的假设实际上也就是假设两被连接件结合面发生且正在发生相对滑动,而这种情况恰恰是文献明确禁止的,即这些手册类文献都要求“被连接件不能有相对滑动”。
      摩擦型高强螺栓连接是以板层之间出现滑动为承载力的极限状态,在外力小于极限承载力时的正常承载状态,摩擦力与彼此接触的结合面的相对变形或变形趋势相关,而相对变形或变形趋势又与接触位置距离螺栓组旋转中心的距离相关,因此,尽管各螺栓预紧力相同,但与任意第i(i=1,2,…,n)颗螺栓对应的结合面摩擦力Fi也应与螺栓位置ri相关,严格来说不应都为μP0。因而上述“摩擦力相等”假设是有一定局限性的。针对这一问题,直接相关的国内、外研究文献很少。其中,文献针对传统做法中不论受力大小的螺栓都选择同样规格而导致不经济性的问题,简单讨论了铰制孔螺栓组在横向力和旋转力矩共同作用下的不等间距螺栓排列问题和摩擦型高强螺栓组在轴向力和翻转力矩共同作用下的不等间距螺栓排列问题。
      文献采用有限元方法模拟,研究了承受轴心剪力的高强螺栓连接的性能,得到了在横向外力增大过程中各螺栓中剪力的不均匀性及其变化情况和轴向拉力的变化情况等结果。文献假设所有螺栓绕一个瞬时转动中心转动,考虑各个螺栓的线性或非线性行为,对螺栓组的力平衡条件进行迭代,求解出了连接结构的瞬时转动中心和极限强度。文献基于螺栓要发生弹塑性变形但螺栓组只产生刚体运动的假设,开发了求解面内偏心载荷即横向力和旋转力矩共同作用下螺栓组非线性变形的计算方法,计算了这种载荷作用下螺栓组的全程非线性响应,包括载荷-滑移行为,指出作用在各螺栓上的内力依赖于螺栓组的瞬时转动中心。文献等众多文献则仍然是在上述假设下讨论横向力和旋转力矩及其复合载荷下螺栓组中的螺栓内力求解.总的来说,到目前为止,还没有计及螺栓组变形的关于旋转力矩作用下摩擦型高强螺栓组中螺栓内力不均匀性及其相应设计方法的研究。本文通过有限元数值模拟,对该问题进行研究,给出了相应的研究结果。



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