螺栓连接薄板应力的有限元分析

北京力学会第18届学术年会论文集：工程应用

螺栓连接薄板应力的有限元分析

王升涛张建宇

（北京航空航天大学航空科学与工程学院，100191）

摘要：用ANSYS 软件对带预紧力和装配应力的螺栓连接薄板应力分布进行有限元分析。针

对连接件不同约束条件，计算得到薄板受拉时预紧力对螺栓孔处等效应力的影响。

关键词：预紧力，接触，螺栓连接，有限元分析

一、 引言

带预紧力和装配应力的螺栓连接是飞机结构中的常见连接形式。预紧力的存在使被连接的构件之间存在摩擦力的作用，导致了构件之间力的相互作用变得复杂。本文应用有限元分析研究了螺栓孔附近应力的几种影响因素。

二、 有限元模型及计算结果

连接结构如图1，由两块较长的薄板搭接在一起，采用纵向排列的两个沉头螺栓联接。薄板材料为铝合金，弹性模量取为70GPa ，泊松比取为0.33，螺栓材料为合金钢，弹性模量取为200GPa ，泊松比取为0.3。

图1 螺栓连接结构

为了更精确地模拟螺栓连接的力学行为和应力分布，划分网格之后，在模型中创建了9个接触对。模型中装配应力的施加是通过在接触对上设定初始干涉来实现的，而预应力的施加是通过降低螺栓的温度实现的。假设连接件一端固支，另一端受均布拉力q 的作用，几何尺寸固定不变，并假定装配应力为某一固定值不变，分别对以下两种情况进行了有限元分析：(1)薄板上下表面自由。(2)薄板不能发生弯曲。

情况(1)的计算结果汇总在图3-图5中，情况(2)结果汇总在图6-图7中，其中F 为预紧力，max σ为最大von Mises 应力，q 为板端均布拉力，k 为max σ与q 的比值。图3、

图6表明薄板表面的约束情况不同，应力分布也会有所不同，但最大von Mises 应力都出现在带沉孔板的螺栓孔孔壁上。图4表明在情况(1)下，一定范围内的预紧力对螺栓孔处的最大von Mises 应力没有明显影响。图5表明情况(1)下，螺栓孔处的最大应力随拉力的增加线性增加。图7表明在情况(2)下，预紧力对螺栓孔处最大von Mises 应力有较大影响；不同拉力水平下，预紧力对最大von Mises 应力的影响趋势相同，具体体现为：预紧力较小时，最大von Mises 应力较大，随着预紧力的增加，最大von Mises 应力减小，预紧力继续增加，最大von Mises 应力增大。

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图2 部分网格划分图3 第一种情况应力云图

图4F 对max σ的影响图5P 对max σ的影响

图6第二种情况应力云图图7k 和F 的关系

三、 分析与讨论

(1) 当板上下表面自由时，板端拉力q 使螺栓附近的板发生翘曲，这样严重降低了板间摩擦力对拉力传递的分担能力，导致绝大部分拉力由螺栓孔孔壁承担，于是孔壁上应力分布就主要由拉力决定，所以预紧力对应力分布几乎没有影响。

(2) 当板不能弯曲时，连接件的变形以拉伸为主，板间摩擦力受拉力影响较小。预紧力较小时摩擦力也较小，孔壁承受较大载荷；预紧力增大，摩擦力也随之增大，孔壁所要承受的载荷变小；如果预紧力过大，它本身就会引起较大的应力。所以预紧力对螺栓孔处应力分布影响作用很大，对应给定的拉力值，存在一个最佳预紧力。

(3) 带沉孔的板孔壁承载面积较小，而且沉孔受力、变形都比较复杂，最大von Mises 应力都出现在带沉孔板的螺栓孔壁上，所以在设计加工时，应注意加强带沉孔板的强度。 参考文献(略)