某型汽车螺栓力学强度的有限元分析

第２５卷第１期 ２００９年１月
机械设计与研究
Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖ０１．２５ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２００９
文章编号：１００６－２３４３（２００９）０１－０７３－０２
某型汽车螺栓力学强度的有限元分析
赵欣１，李文波２。邓磊２。郑万民２，王小平２ （１．北京工业大学环境与能源工程学院，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｘ＠ｂｂｄｃ．ｃｏｍ．ｃｎ；
从图５可以看出，螺栓的断裂强度均值高于其预紧应 力，但因为两者都是随即变量，因此两个分布可能出现交叉 区域。在这个交叉区域，预紧应力高于断裂强度，螺栓将发 生断裂。这个区域的面积就是螺栓发生断裂的概率。由此 得出结论，在不改变现有螺栓的情况下，为了防止断裂，可以 采取的措施，一是适当降低螺栓的预紧力，二是尽量避免螺 栓预紧时的干扰因素，从而减小预紧应力的离散程度。
需要指出的是，以上在进行有限元分析时，对实际问题 做了很多简化。首先是省略了螺栓的一些结构细节。其次， 螺栓在预紧时，除了受到扭转载荷外，还应当有轴向拉伸分 力，并且扭转和轴向拉伸在螺栓长度方向上并非均匀分布。 另外，分析结果还表明，螺栓应力已超过材料的弹性极限，因 此更准确的分析应当采用弹塑性力学分析Ｈｊ Ｊ。尽管如此， 对于汽车螺栓这种数量多的非关键零件，利用三维设计软件 自带的有限元分析模块做力学分析，是一种简便和侠捷方 法，能够满足一般的强度校核要求。
２．北京奔驰一戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司）
摘要：针对某型汽车装配过程中出现的螺栓断裂问题，利用有限元法分析了当受到扭转裁荷时，螺栓应
力分布。结果表明，螺栓的预紧应力接近材料的断裂强度。因此，可以推测这种型号汽车螺栓在设计时，是以
断裂强度作为极限应力。对于汽车螺栓这种数量多的非关键零件，利用三维设计软件自带的有限元模块做力
Ｆｅｌｉｐｅ Ａｎｔｏｎｉｏ ＣｈｅｇｕＴｙ Ｖｉａｒｍ，Ｇｉｏｖａｎｎｉ Ｉａｍｉｎ Ｋｏｔｉｎｃｌａ，Ｔｕｎｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｂｓｏｒｂｅｒｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ／ｉｔ ｃｏｌｏｎｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００８，８６（１３一１４）：１５３９—１５４９． 邵俊鹏，秦柏．基于ＡＤＡＭＳ的动力减振镗杆仿真分析［Ｊ］。 机械设计与研究，２００８，２４（１）：８４—８８． 师汉民．机械振动系统一分析测试建模对策［Ｍ］．武汉：华 中科技大学出版社．２００４．
有限元分析结果，螺栓最大应力在螺纹一端，应力值达 １２７１ ＮＰａ，最小应力在六方头一端，如图４ｂ。履然，螺纹端出 现应力最大值，是由于在端面上施加扭转载荷而造成了应力 集中，这里不是实际的最大应力位置。图４ｃ显示了螺栓局 部的应力分布。在光杆部分，应力值大约为３００ ＭＰａ，应力分 布均匀。在螺纹部分，螺纹牙顶的应力值很小，而牙底应力 值较大，达到约９００ ＭＰａ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｏｌｔ ｕｎｄｅｒ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｌｏａｄ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｍｍｉｎｇ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｂｏｌｔ ｂｒｅａｋ ｄｕｒｉｎｇ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｔａｋｅｎ船ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｌｉｍｉｔ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｏｌｔｓ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ａｌｓｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｕｌｅ ａｔｔａｃｈｅｄ ｔｏ ３－Ｄ ｄｅ－ ｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ａｎ ｅａｓｙ ａｎｄ ｆａｓｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｎｏｎ·ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐａｒｔｓ ｌｉｋｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｏｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｂｏｌｔ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
螺栓螺母是汽车上数量最多的一种零件，它们的作用是 把汽车的各个零部件联接起来，并通过预紧防止零件松动。 在汽车设计时，对于关键的零部件，需要利用专门的有限元 分析软件进行力学分析，并通过力学测试实验来验证¨０１。 但是由于有限元分析过程比较复杂，计算量大，因此对于汽 车螺栓这样为数众多的小零件，目前国内的汽车设计单位大 多是根据经验数据选择螺栓的直径和螺距。下面拟使用三 维设计软件自带的有限元分析模块对螺栓进行力学分析，探 索用这种有限元模块做强度校核的可行性。
１ 汽车螺栓的断裂现象
北京奔驰一戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司，是一个现 代化的汽车制造企业，主要生产奔驰Ｃ级、Ｅ级，以及克莱斯 勒铂锐系列中高档轿车。在北京奔驰的汽车装配生产线上， 目前大多是采用国外进口的螺栓。２００８年６月，汽车总装车 间连续出现了十几次螺栓在预紧时发生断裂的现象，如图ｌ。 图２是螺栓装配的三维模型，图３是这种螺栓在汽车上的安 装位置。
万方数据
３ 螺栓断裂原因分析
取５０只螺栓，利用切削和磨削加工制作成标准的拉伸 试件，在电子万能实验机上做力学测试，测量螺栓的断裂强 度。对实验数据进行统计分析，结论为螺栓的断裂强度符合 均值为１ １ １３ ＭＰａ，均方差为１７．８９ ＭＰａ的正态分布。螺栓 在预紧时可能受到各种因素的影响，因此螺栓的预紧应力也 应当是＿个随即变量。以有限元计算结果近似作为预紧应 力的均值，将预紧应力和材料断裂强度的分布表示在同一坐 标系上，如图５。
作者简介：张海丰（１９８ｌ一），男，硕士；主要研究方向，机械结构 优化设计厦振动分析。
（上接第７４页）
以上利用三维设计软件自带的有限元模块做力学分析。 这种有限元模块只能做零件的弹性力学分析，其功能不如专 业的有限元软件，但它的优点是使用方便，能够很快地得出 结论。实际上，在应用专业的有限元软件（如Ａｎｓｙｓ、Ｎａｓｔｒａｎ、 Ａｂａｑｕｓ、Ａｌｇｏｒ等）时，由于有限元软件自身的三维建模功能 比较弱，一般是将三维设计软件中建立的模型导入有限元软 件。由于不同公司软件之间的接口并非完美，当模型比较复 杂时，可能出现导入有限元软件的模型出错，无法进行有限 元分析。而这种三维设计软件自带的有限元分析模块，因为 没有与其它软件进行数据交换，因此使用方便，而且不容易 出错。
利用ｉ维设计软件自带的有限元分析模块对螺栓进行 网格划分，采用四面体单元，单元数为２０ ０８１个，节点数为 ３９ ４５７个。在有限元模型中，使螺栓六方头一端同定，螺纹 一端施加扭转载荷。扭转载荷按照国外技术文件的规定，扭 矩值为６８ Ｎｍ。利用三维设计软件自带的有限元分析模块， 计算螺栓应力分布，结果如图４。
［２］ ＳＡＮＪＩＶ Ｇ ＴＥＷＡＮＩ，ＫＥＩＴＨ Ｅ ＲＯＵＣＨ ａｎｄ ＢＲＵＣＥ Ｌ ＷＡＬ－
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ＣＯＴＴ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｂｏｒｉｎｇ ｂａｒ ｗｉｔｌｌ ａｃ· ｒｉｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｂｓｏｒｂｅｒ［Ｊ］．Ｉ．Ｍａｔｈ．Ｔｏｏｌｓ Ｍａｎｕｆａｃｔ．１９９５。３５ （１）：９１—１０８． Ｇ Ｂ Ｗａｒｂｕｒｔｏｎ．Ｏｐｔｉｍｕｍ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｖｉ． ｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅＣ Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅａｒｔｈｑｕ丑ｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｒｕｅ－ ｒｕｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ．１９８１，９：２５ｌ一２６２． Ｊｉａ—Ｊａｎｇ Ｗｕ。Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｅｌｉｃａｌ ｓｐｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ａ ｂｅａｍ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ａ ｍｏｖｉｎｇ ｌｏａｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．２００６，２９７（３ —５）：９８ｌ一９９９．
螺栓断裂的事件，以前很少发生，近来偶然出现了十几 次。螺栓断裂，需要更换新螺栓，成本并不高，本来不值一
提。但问题是，这种螺栓在分装线上是松装的，到汽车完成 线上才最后预紧，也就是说，等到汽车快要下线时才发生断 裂。为了更换螺栓，需要拆卸发动机和前桥，Ｔ作量较大。 因此，有必要对这种螺栓进行力学分析，研究螺栓断裂的原 因，在此基础上采取相应的措施，防止螺栓预紧时断裂。
（下转第８７页）
第１期
张海丰等：动力减振镗杆结构参数优化
第一阶共振频率，萌为普通镗杆加速度幅值Ｚ为普通镗杆共 振频率。普通镗杆的自然频率相对误差为３．７％，减振镗杆 前两阶的自然频率相对误差分别为１ｌ％和４．８％，减振效果 达到２９％。试验结果表明：理论结果和试验结果基本一致。 验证了理论优化和仿真优化的有效性。
５ 结论
在动力学仿真技术的基础上，较为系统的探讨了动力减 振镗杆的动态特性，以及减振器参数的变化对主系统的影 响，并对参数进行优化，参数优化结果和理论优化结果吻合 良好，最后通过和加工范围。该方法对于进一步提高深孔加 工领域的水平和相关技术的研究具有十分重要的理论意义 和实际应用价值。
参考文献：
［１］Ｄ Ｇ Ｌｅｅ，Ｈ Ｙ Ｈｗａｎｇ ａｎｄ Ｊ Ｋ Ｋｉｍ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｃ盯ｂ。ｎ ｆｉｂｅｒ ｅｐｏｘｙ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｂｏｉｌｌＩｇ ｂａｒ［Ｊ］．ｃ。ｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｍｃｔｕｒｅ８， ２００３．６０（１）：１１５．１２４．