基于ANSYS软件的螺栓螺纹轴向受力有限元分析

基于ANSYS 软件的螺栓螺纹轴向受力有限元分析
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钟友坤
（河池学院物理与机电工程学院，广西 河池 546300）
摘　要：基于ANSYS 软件的参数设计语言，从有限元模型的创建、划分网格、求解分析以及后处理等过程对螺栓螺纹进行有限元分析，对螺栓进行轴向受力进行分析测试，以改善螺栓的应力分布，提高螺栓螺纹的强度。

关键词：ANSYS；螺栓螺纹；有限元分析中图分类号：U213.5+2 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2017）22-0004-03 ——————————————基金项目： 2015年度广西高校科学技术研究立项项目：同步机模型
设计与仿真研究（KY2015LX331)；河池学院2015年校级重点科研课题立项：虚拟仿真力学实验系统的设计研究（XJ2015ZD001）
作者简介： 钟友坤（1977-），男，广西岑溪人，硕士，高级实验师，
研究方向：机械力学设计。

螺栓是机械设计中最常见的联接器件之一，它结构简单、安全可靠、易于拆装、调整方便；作为标准件的螺栓，在工程生产中成本价格低廉，批量生产方便，在不同的工件中具有很强的互换性。

基于以上特点，在交通运输以及工程项目设计中螺栓的应用十分广泛。

虽然如此，但是在当今汽车铁路船舶运输等交通工具以及机械工业生产设备中也经常会出现螺母松动脱落、螺栓磨损、螺栓断裂等现象，从而造成重大的安全事故出现。

研究表明，高应力区多发生疲劳裂纹，螺栓产生疲劳裂纹的主要高发部位是在螺栓与螺母旋合部位的第一扣螺纹处的根部[1]。

常见的普通三角螺纹因为螺纹处承受到高强度的轴向拉应力，而螺纹根部承载面积小，从而造成了螺纹根部应力集中系数较大，在长时间动载荷作用下工作的螺栓螺纹根部处经常发生疲劳破坏，产生疲劳裂纹甚至断裂的可能，严重地影响螺栓的强度，这对机械结构和设备运行安全产生了重大的影响。

基于上述原因，如何缓解螺栓螺纹根部应力集中程度、重组螺纹处应力的均匀分布，提高螺栓强度，成为了机械设计的一个重要课题。

文章结合ANSYS 软件，对螺栓螺纹轴向受力有限元进行分析，以期达到上述结果。

1 有限元分析流程
对螺栓螺纹轴向受力的有限元分析，主要包括以下几个步骤：①建立有限元模型。

运用ANSYS 软件对螺栓螺纹进行几何建模，并对螺栓进行模拟与几何造型作进一步简化，采用轴对称模型对螺栓进行轴向受力有限元分析；②网络的划分。

基于研究的部位是螺纹根部所受应力情况，根据分析要求采取不同方式对螺栓进行网络划分并对螺纹部分网格进行细化；③施加边界约束和加载方式。

螺栓在实际工作中所承受的载荷为轴向的拉伸载荷，一般呈对称性分布，根据螺栓的实际受载荷情况和动力分析，采用合理的边界约束和加载方式；④结果与分析。

根据计算的结果，对数据进行图表统计处理并直观分析，从而看出不同螺纹根部各种指标对螺栓螺纹根部应力的分布情况，以便对螺栓螺纹的结构参数进行优化设计。

螺栓螺纹轴向受力的有限元分析流程图如图1所示。

2 有限元模型建立
有限元模型的建立包括定义单元类型、实义材料物性及实常数、创建几何模型等，而几何模型是进行有限元分析的基础，越接近实体模型越能精确地反映出真实的分析结果。

利用ANSYS 软件中的APDL 参数化设计语言几何建模功能和简单的菜单操作界面几何建模功能可以进行有限元模型的建立。

在创建几何模造型时应保证计算结果的精义和控制模型的规
图1 有限元分析流程图
模，可以适当的简化和修改，做到力求精确，真实反映螺栓螺纹的特征，忽略所有的小特征，对小锥度等进行直线化和平面化处理。

创建的螺栓有限模型主要有以下几种：①用梁单元模拟实际的螺栓；②简化为中径的光杆螺栓代替实际螺栓；③采用一系列具有标准螺纹牙型的周向环状凸缘代替连续螺纹；④按照实际结构尺寸创建螺栓模型[2]。

由于螺栓几何模型具有轴对称性，可以使用二维四节点划分风格，并设定单元选项为轴对称模型，采用面-面接触单元模拟螺栓和螺母接触部位力的相互作用。

定义螺栓和螺螺母的力学性能参数，并设计二者的模量和泊松比。

在定义好接材料性参数和接触单元实常数的基础上，利用APDL 语言编
写命令文件建立几何模型，并采用变量的形式定义几何体尺寸参数，进行相关布尔操作，则可得到几何模型，如图2所示。

图2 划分区域的几何模型图
3 有限元网格划分
在模型建立的基础上，实行对模型的网格划分。

网格划分可以采用自由网格划分、映射网格划分以及扫掠网格划分等方法进行。

考虑到在有限元模拟分析中，网格的划分方式、单元尺寸、网格数目和质量对计算结果的准确度有重要的影响，需要综合分析来确定选取网格划分的方式。

结合机械特性，采用映射网格划分方式和自由网格划分方式相结合的方式划分网格。

首先对螺栓几何体进行拆分，可以分成几个区域，对区域1、区域3和区域4采用映射方式划分网格，对区域2和区域5采用自由方式划分网格，结合两种方式来划分网格，主要是速度快并能节省时间，操作简单，灵活性高，计算的精度较高。

在此基础上，设定单元格尺寸，细化螺纹区域网格，模拟螺纹根部应力集中情况。

为了比较准确模拟螺纹受力情况，应用ANSYS划出四面体网格。

并由粗到细的进行网格过渡，这样可以大大节省计算时间，同时对螺纹进行网格细化，考虑到网格尺寸对计算机结果有很大影响，网格过粗计算结果不准确，网格过细计算时间又过长。

经多次测算，最终确定节点个数为3000个，单元个数为3192个。

有限元网格模型如图3所示。

图3 有限元网格模型图
4 求解分析
在求解之前，需要对有限模型施加载荷和约束，包括在螺栓底部施加轴向固定位移约束和在几何对称边上施加对称位移约束。

在完成线束操作后才能进行求解。

根据标准的普通三弧形螺纹的几何关系，其牙型原始三弧形高度为H=0.866025404P，其中P为螺距。

而螺栓小径D1=D-1.25H[3]。

不同的螺栓小径和螺距又对应不同的螺纹根部圆弧半径进行有限元求解。

本次计算的初始条件：螺纹公称直径为30mm，螺距为3.5mm，螺纹根部弧半径为0.45mm。

如图4、图5所示，螺栓和螺母发生了相对位移，位移量为0.15mm，存在力的相互作用，致使螺栓发生了位移变形。

如图6、图7所示，在最近加载面的第一个螺纹啮合处应力最大，随着离加载面越远方向，螺纹啮合处应力将逐渐减小，这说明螺纹根部应力区属于高应力区，在螺栓与螺母啮合部位的第一扣螺纹处根部发生了应力集中，应力值为1256.5MPa。

如图8、图9所示，螺栓螺纹接触部位的压力分布情况，螺纹根部应力集中主要发生在螺栓与螺母啮部分的第一扣螺纹根部，随着离加载面越远方向，螺纹啮合处应力将逐渐减小。

如图10所示，螺栓与螺母螺纹啮合处在受到轴向拉伸载
图4 合位移分布云图图5 三维位移变形图图
6 等效应力分布图
图
7 螺栓上的等效应力图
图
8 螺纹接触部位压力分布图
图9 螺栓与螺母接触部分的压力图
荷时，螺栓与螺母的接触表面为轴向拉伸载荷方向一侧的螺纹表面，导致螺纹根部处的应力集中主要发生在螺纹啮合根
部的轴向拉伸一侧。

图10 螺栓与螺母接触表面图
5 结束语
从对螺栓螺纹轴向受力的有限元分析可以看出，螺栓轴向拉应力重要条件下螺纹根部应力集中主要发生在螺栓与螺母啮合部分的第一扣螺纹根部，随着离加载面越远方向，螺纹啮合处应力将逐渐减小。

从应力分布情况来优化螺栓螺纹，可以缓解螺栓螺纹的根部应力集中，提高螺栓的搞疲劳强度，实现提高螺栓安全可靠性和延长其寿命的目的。

参考文献：
[1]胡浩.螺纹联接件参数化CAD 系统研究[D].西南交通大学,2013.[2]李波.螺栓螺纹三维接触有限元分析[J].机械,2010,37(5):31-33. [3]罗细芽.基于Pro/E 的提升机三维设计及ANSYS 有限元分析[J].
南方农机,2009(5):38.
（收稿日期：2017-10-22）
Design of a Shearing Mechanism in Tobacco Topping and Sucker Machine
Abstract ：The large area in southwest China are planting tobacco. At the same time, it is a vital method that to curb the top edge
to improve tobacco quality. At present, the method of artificial beating is still popular but the high dense and fragile characteristics of the tobacco leaf make this work arduous and heavy. Therefore, there is an urgent need to develop a new type of anti-bud machine to release manual operation. This study aims at the demand for the automation of the anti-bud operation of tobacco in hilly areas and innovatively designed a light-type tobacco top cutting mechanism which is drove by the electric motor. With gear tooth transferring force, the shear mechanism is simple and low energy consumption. Considering fully what may encounter during actual use, which guarantees finishing topping and sucker without damaging near tobacco, we calculate the force and the working speed and select the parameters for it. According to the test, the shearing mechanism can accomplish topping and sucker. The shearing mechanism is simple, small, reliable and operable, providing a basis for the popularization and application.Keywords ：Topping;Sucker;Shearing mechanism;Motor;Operable
Han Xiaobin 1, Cheng Lianxiong 1, Li Ang1, Liu Hongbo 2, Chen Chang 2, Li Guozhou 1
(1.Zunyi Group of Guizhou Tobacco Company, Guizhou Zunyi 563000;2. College of Engineering and
Technology,Southwest University, Chongqing 400715)
（上接第3页）for topping tobacco plants[P].United States:3662526,1972-5-16.
[6]宋涛,张晓辉,马敏,等.烟草打顶机械化技术及应用现状[J].
农机化研究,2010(6):233-236.
（收稿日期：2017-10-19）。