带预紧力受剪螺栓连接刚度分析

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w w w .c a m e o .o r g .c n 2007年8月强 度 与 环 境Aug.2007

第34卷第4期 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.34, No.4

带预紧力受剪螺栓连接刚度分析

张永杰 孙秦

（西北工业大学航空学院，西安 710072）

摘要:为了很好的模拟带预紧力受剪螺栓的复杂应力状况，本文应用ANSYS 非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真，利用降温法模拟了螺栓的预紧力，给出了螺栓连接刚度计算公式，通过一系列不同厚度构件的螺栓连接刚度计算，得到了构件厚度与螺栓连接刚度间的关系曲线；为复杂结构中螺栓连接的简化计算提供了可靠参考依据。

关键词：ANSYS; 接触; 降温法; 螺栓连接刚度

中图分类号:TH122 文献标识码: A 文章编号:1006-3919(2007)04-0022-04

Sheared bolt joint stiffness analysis with pre-tightened force

ZHANG Yong-jie SUN Qin

(School of Aeronautics, NPU, Xi’an, 710072, China)

Abstract ：Nonlinear contact arithmetic of ANSYS is applied for simulating complex stress of sheared bolt with pre-tightened force and emulating bolt joint well. By cool method, pre-tightened force of bolt is caused. In this paper, we present a computational formula of bolt joint stiffness, and obtain relative curve between bolt joint stiffness and thickness of components by varying thickness of components. Reliable references are provided for simplified computation of bolt connection from complex structure. Key words: ANSYS; contact; cool method; bolt joint stiffness

1 引言

对于复杂结构进行有限元分析时，常常遇到很多螺栓连接的情况，根据受力情况不同可分为受拉螺栓与受剪螺栓，本文主要讨论的是受剪螺栓的联接问题。受剪螺栓联接的外载荷主要靠螺栓杆的剪切及螺栓杆与被连接件的挤压来承受，联接件间只有较小的预紧力。但是在某些特殊结构的设计中，为了保证系统的密封性以及提高螺栓联接件孔边的疲劳寿命等方面需要，在受剪螺栓联接的设计中往往需要较大的预紧力。大预紧力的存在而引起的各部件间摩擦力的作用，使得结构的传力路线复杂化，应用理论解进行结构分析会产生较大的误差。因此应用有限元分析软件对结构进行数值模拟与分析已经成为一种有效的途径。

收稿日期：2006-10-10； 修回日期：2007-01-29

作者简介: 张永杰（1979-），男，博士，研究方向：飞行器设计；（710072）西安市西北工业大学120＃

A502教研室

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由于算法与计算规模的限制，在以往螺栓联接结构的有限元分析中，螺栓的有限元简化模型通常有三种方式[1]：一是将螺栓联接的两部件的相应节点融合成一个节点；二是采用弹簧元模拟螺栓；三是采用一个圆柱梁和两个与梁的末端固接的两圆片的集合来模拟螺栓，使用间隙元来连接螺栓和板的边界接触区域的节点。这三种模拟方式都是从整体结构承载出发，给出了有限元仿真中螺栓联接的简化方法，虽然这些方法能大大地简化原模型，减少计算规模和时间，但像螺栓的预紧力、孔边接触应力等方面的问题都没有解决。

在总结以往螺栓连接的模拟方法的前提下，本文研究了螺栓联接的预紧力元以及有限元软件ANSYS [2]的非线性接触算法[3]，应用ANSYS 软件对实际结构中的螺栓结构建立了全尺寸三维有限元接触模型，并利用降温法对螺栓预紧力进行了数值模拟，最终得出了受剪螺栓连接刚度与连接件厚度间的变化关系曲线。为复杂结构中螺栓连接的简化计算提供了参考依据。

2 有限元模型建立

2.1 模型介绍

螺栓联接模型由两块被联接件和螺栓组成，在本文建模过程中，忽略了螺纹连接，将螺母与螺栓杆融为一体，如图1（a ）所示。为了最大程度地模拟螺栓联接的力学行为和应力分布，采用接触模型进行有限元分析，将被联接件之间、联接件与螺栓杆之间、螺母螺帽与被联接件之间均设为接触连接；对刚性面采用Target170单元（ANSYS 单元）模拟，对柔性面采用Contact173单元（ANSYS 单元）模拟。而实体部分采用八节点体元Solid45单元（ANSYS 单元）划分，通过细致的剖分工作得到了螺栓连接结构的三维实体有限元模型。该模型含有7346个节点，8823个体单元，789对接触单元；网格剖分如图1（b ）所示。

图1(a) 模型示意图 图1(b) 网格划分示意图 图1(c) 载荷分布示意图

2.2 模型材料数据与边界条件

下面的表1给出了相关材料常数，其中螺栓为Φ6的标准钢螺栓。外载荷为：铝板的一端固支，另一端施加均布拉力，如图1（c ）所示。

表1 材料常数

材料种类 弹性模量（GPa ）泊松比

密度（g/cm 3）

热膨胀系数

铝 70 0.33 2.82 — 钢

210 0.30 7.80 1.2×10-5

3 降温法模拟螺栓预紧力

根据物体热胀冷缩原理，温度的降低将引起物体产生收缩变形，可以用降低螺栓杆的温度来模拟螺栓预紧力的作用，依据螺栓联接的弹性变形协调关系，可以得到降低的温度t ∆与螺栓