[發明專利]一種螺栓連接結構松動有限元仿真方法

有效

• 申請號: 201810306041.1
• 申請日: 2018-04-08
• 公開（公告）號: CN108460237B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 孫清超;王傳華;林清源;孫偉;張豹
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

本發明公開了一種螺栓連接結構松動有限元仿真方法，具有如下步驟：建立模型；將模型導入ABAQUS中；定義所述模型中各零件的材料截面屬性；設置三個顯式動態分析步；在Interaction模塊中設置模型中各零件間的接觸關系；將模型中連接件之間的軸向接觸力CFN3作為夾緊力輸出；設置耦合約束；定義邊界條件；施加載荷；提取模型中連接件之間夾緊力的變化。本發以接近實際工況的加載方式，施加載荷，以保證計算結果的準確性，可以簡便的得到連接件間預緊力隨時間的變化曲線，計算結果準確度較高。

技術領域

本發明涉及一種橫向激勵下螺栓連接結構松動有限元仿真方法，更具體地說，涉及一種螺栓連接結構松動有限元仿真方法。

背景技術

螺紋聯接廣泛存在于各類機械結構中，是最常用的緊固手段之一。振動環境中工作的螺紋聯接結構會出現夾緊力的持續下降，即螺栓松動，成為重大安全隱患，尤其是橫向(與螺栓軸線垂直的方向)振動載荷是導致螺紋連接結構松動最主要的原因。當受到橫向(與螺栓軸線垂直的方向)振動載荷時，隨著振動力增大、螺栓副間的摩擦系數減小，破壞了螺紋自鎖條件而有微量的相對滑動，導致螺母自動回轉松動。在某些極端情況下，橫向載荷的松脫可以導致螺栓預緊力降低30％-40％。因此研究螺紋連接結構在承受橫向交變載荷的情況下的松脫規律，對于工程實際具有重要意義。

螺栓連接結構預緊力松弛情況可分為擰緊后不受外力時的自松弛和外力作用下的預緊力松動情況。在不受外力作用下的自松弛階段，螺栓會由于螺栓桿部扭轉變形、螺紋牙底的塑性變形等原因導致預緊力的下降；在外力作用階段初期，螺栓連接結構預緊力會由于外力單次大循環和材料的棘輪效應，導致的螺紋牙底塑性變形，而產生較大的下降，而后進入相對穩定的狀態，預緊力保持穩定，最后由于螺栓材料的疲勞失效，導致螺栓疲勞斷裂或螺牙斷裂脫落，預緊力消失，螺栓連接結構失效。因此，在分析螺栓松動規律時，應分階段討論預緊力在不同階段下的松動影響因素。

目前，針對橫向激勵下螺栓連接結構松動有限元方法，要么在施加螺栓初始預緊力時，采用降溫法或截面預緊力施加法，沒有考慮實際的擰緊過程，要么在擰緊后沒有螺栓自松弛過程。降溫法或截面預緊力施加法在螺栓初始預緊力靜強度分析中，得到了很好的效果。但對于具有螺旋升角的螺紋連接結構在承受橫向交變載荷下的松動情況來說，并不能反映螺栓的彈性扭轉變形，而螺紋擰緊過程中導致的螺栓扭轉彈性變形是影響螺栓連接結構橫向振動初期松動的重要原因之一，因此，實際的擰緊過程和螺栓結構的自松弛，應考慮在有限元仿真方法之中。

發明內容

根據上述提出的技術問題，而提供一種螺栓連接結構松動有限元仿真方法。本發明以更加貼近實際的轉角法施加預緊力，以保證計算結果更加準確。同時，本發明可以簡便的提取連接件之間的預緊力隨時間的變化情況。本發明采用的技術手段如下：

一種螺栓連接結構松動有限元仿真方法，所述螺栓連接結構包括螺母、螺栓、上連接板和下連接板，具有如下步驟：

S1、利用HYPERMESH參數化建模建立的帶有螺紋升角的螺栓連接結構各零件的六面體網格有限元模型，保證模型準確性；

S2、將所述模型導入ABAQUS中；

S3、定義所述模型中各零件的材料截面屬性(Section)，賦予所述模型的材料特征，本發明設置了所述模型的塑性材料參數，考慮了材料的塑性變形；

S4、設置三個顯式動態(Dynamic Explicit)分析步：Step-1、Step-2和Step-3，并分別設置分析時間；

其中，Step-1為轉角法螺栓擰緊分析步，Step-2為撤銷約束后螺栓自松弛分析步，Step-3為施加橫向位移載荷分析步；

S5、在Interaction模塊中設置所述模型中各零件間的接觸關系：使用罰函數接觸算法(Penalty contact method)，能更好的模擬接觸面之間的切向運動，設置通用接觸(General contact)；