在ANSYS软件中高强螺栓预紧力的施加方法(论文)

在ANSYS 软件中高强螺栓预紧力的施加方法
王春寒
(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)
【摘　要】　介绍了在ANSYS 软件中,施加高强螺栓预紧力的几种方法,指出各自的优缺点,并通过一简单算例进行计算对比,以供设计人员参考。

【关键词】　ANSYS ;　高强螺栓;　预紧力 【中图分类号】　TU311141 【文献标识码】　B
高强螺栓抗拉强度一般在700MPa 以上。

由于高强螺
栓能大量生产,质量稳定,有足够的强度和韧性,材料费用较便宜,在经济上较为合理,有着十分广泛的应用。

对高强螺栓的深入研究分析往往要借助有限元软件来完成,ANSYS 正是其中比较优秀的软件之一。

运用ANSYS 软件进行有关高强螺栓的计算分析基本都是摩擦接触分析。

接触分析是典型状态非线性分析,而在分析过程往往还要考虑材料的塑性,这就使分析成为状态非线性和材料非线性组合在一起的高度非线性分析。

因此如何施加螺栓的预紧力,合理的建立模型、就显得很重要。

1　施加预紧力的方法
ANSYS 软件中模拟高强螺栓的预紧力,主要可以通过直接加载法、等效力法、等效应变法和等效温度法来实现。

111　直接加载法
ANSYS 中直接加载的途径有两种。

途径1:ANSYS 中设置了预拉力单元PRETS179。

可以通过PSM ESH 或者EIN TF 命令在一个已经划分网格的结构中定义一个截面并插入预拉力单元PRETS179,然后通过SLOAD 命令来施加PRETS179单元的预应力,实现对高强螺栓的模拟。

这种方法要求在建模时将栓杆和栓帽固结。

预拉力单元只能在静力分析中使用,并且它不能传递剪应力,因此栓杆将不能承受弯矩和剪力,不能模拟现实中的栓杆和孔壁的摩擦接触行为。

图1　直接加载法示意图
途径2:在栓帽和栓杆上分别施加大小相等、方向相反
的面荷载或者多个集中力,使整个螺栓作用在连接板上的合
力和弯矩为零(如图1)。

在建立的有限元模型中,栓杆和栓
帽不能粘结在一起,可以通过耦合方程等方法使栓杆和栓帽上的节点在沿栓杆轴线方向上的位移自由度相互独立,以保证连接板获得来自螺栓的压力。

和途径1相比,这种方法简单明了,栓杆可以承受弯矩和剪力,可以很好地模拟孔壁和栓杆的摩擦接触行为。

但由于接触面增多使模型的建立及计算难度增大。

112　等效力法
即对结构加等效荷载。

把栓杆所承受的轴向拉力等效成多个集中力或者一个面压力,然后对高强螺栓作用的结构直接施加等效荷载;也可以等效成集中力加一个等效弯矩进行轴心加载。

施加等效荷载时要对两个连接板同时施加,使其合力大小相等,方向相反,保证不产生弯矩,如图2所示。

这种方法可以不建立高强螺栓的有限元模型,故不能模拟现实结构中栓杆和孔壁的接触问题。

但由于只考虑了螺栓的预紧力而未将螺栓模型建立起来,因而可以使计算简化许多。

图2　等效力法加载示意图
113　等效应变法
通过对结构约束和定义实常数的方法,使结构产生与预
应力相当的应变,从而得到间接施加预应力的目的。

这种方法需要建立单元来模拟栓杆,在实常数中对参数进行定义,得到施加预应力的目的。

114　等效温度法
通过设定各项异性的温度应变系数,在给与的温度变化
[收稿日期]
[作者简介]王春寒(1980～),桥梁工程专业硕士研究
生。

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下使栓杆获得一定的应变,从而产生想要达到的预应力效果。

此种方法原理与上一种方法是一致。

2　举例对比
如图3所示,N1板(300mm ×100mm ×20mm )两端固结,通过一个M24高强螺栓与N2板(100mm ×150mm ×15mm )栓结,螺栓预紧力取150kN ,摩擦接触系数m =014。

材料弹性模量211×1011Pa ,泊松比μ=013。

作用在N2板上轴力为50kN 。

分别用直接加载法和等效力法模拟螺栓的预紧力,图4给出直接加载法的有限元模型图。

图3　算例试件示意(单位:mm
)
图4　直接加载法模型图
计算结果显示,两种加载方法都可以很好地模拟连接板
在高强螺栓作用下的应力分布规律,图5给出了在两种不同的加载方法下N2板应力分布图。

在连接板未发生相对滑移的情况下,两种方法计算结果基本相同。

直接加载法中模拟了孔壁和栓杆的摩擦接触,接触单元较等效应力法多,从而在相同的计算条件下,直接加载法所用机时较长。

3　结束语
施加预应力的方法有很多种,但也可以看出,
无论那种
图5　N2板接触面应力分布(单位:MPa )
方法,都不能既方便又有效地考虑实际结构中可能出现的螺母松动等情况导致的预紧力损失。

直接加载法与间接加载法相比要更加直观一些,而且最后的等效数据也与理论值更加接近;相比之下,间接加载所加的荷载需要等效换算,不直观,但间接加载具有灵活性大、方便可控等优点,所以计算上也常常被采用。

实际工作具体应该运用哪一种方法,也不能一概而论。

比如说,研究中要考虑栓杆的抗剪作用或者是栓帽和栓母和连接板之间的摩擦作用,这就要求栓杆必须有抗剪作用,那么就不可以用预拉单元模拟螺栓;如果是研究的连接板上螺栓数量比较多,那么必须将螺栓模型用实体单元建立起来的直接加载法在计算时就困难较大,这时等效力法模拟高强螺栓的作用会方便许多。

所以说,方法的使用应该首先考虑计算的需要,当然,还要看使用者是否能熟练使用、灵活运用,因人而异了。

参考文献
[1]　卫星.有限元分析软件-ANSYS 融会与贯通[M ].北京:中国
水利水电出版社,2002.
[2]　陈绍蕃.钢结构设计原理.第二版[M ].北京:科学出版社,
1998.
[3]　美国ANSYS 公司中国分公司.非线性分析指南[R ].2000.
来函照登
发表在(四川建筑———本刊注)2005年第5期上的《蛋形消化池有限元模型静力和动力特性分析》系全文抄袭同济大学和上海市市政工程研究院研究成果,现撤回此文,并向原文作者与所在单位道歉。

(陈海生)
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工技术・　。