搜索拉力作用下高强螺栓连接的ansys模拟
2017-03-30 by:CAE仿真在线 来源:互联网
采用大型有限元分析软件ANSYS,对钢结构高强度螺栓连接的受力分布规律进行了计算和分析,得出了该构件的受力分布图,从理论上对高强度螺栓连接的破坏形式和受力变化进行了分析研究,为进一步改进高强螺栓连接构件的受力状况和结构设计提供了必要的理论依据。
钢结构高强度螺栓连接具有施工简单、耐疲劳、可拆换、连接的整体性和刚度较好等优点,是钢结构中所广泛采用的一种连接方式。因此有必要对其具体受力进行分析研究,本论文利用有限元软件ansys模拟了一高强度螺栓构件在受拉力作用之下的应力状况。
高强度螺栓的预拉力是施加在连接构件上,产生了结构的整体性,通常来讲希望能尽量高些,但为了保证螺栓不会在拧仅过程中发生屈服或断裂,规范GBJ 17—88规定预拉力设计值按下式确定:
(1-1)
其中fy是钢材的条件屈服强度;Ae为螺栓在螺纹处的有效截面面积。
高强度螺栓有摩擦型和承压型两种受里方式,本文仅仅讨论摩擦型高强螺栓结构结构;对于摩擦型高强螺栓而已,其构件的接触面(摩擦面)通常经特殊处理,使其净洁并粗糟,以提高其抗滑移系数μ;对于本论文中抗滑移系数选取为0.4。
主要目的是通过ANSYS的3D实体建模,分析高强度螺栓抗拉在高温下的工作性能以及温度对高强度螺栓抗拉和抗剪的极限承载力的影响。建模过程中利用ANSYS的Pre-tension功能,施加高强度螺栓的预拉力,利用接触单元来考虑螺栓和孔壁的接触与分开的情况以及连接板之间的摩擦作用。在材料的选择方面考虑到高强度螺栓在抗拉状态下的受力分析,考虑了其强化阶段的弹塑性模型;连接板选用双析线弹塑性模型,分析过程中包含了材料、几何和状态的三重非线性。
由于本文螺栓连接构件分析中采用的是细化的实体有限元模型,因此选取了如下几种单元:空间八节点SOLID45实体单元,预应力单元Prets179,目标单元Targe170和接触单元Contact174单元。SOLID45单元被用于三维的实体模型,有八个节点,每个节点有三个自由度:X、Y、Z方向的位移。这种单元能够施加温度荷载,有塑性、延性、应力硬化、大变形、大应变的性能。预应力单元Prets179,用于模拟施加在高强螺栓中的预应力状态;在高强度螺栓连接板中的预加荷载对连接的应力发展过程和连接的承载力有重要的影响。高强度螺栓的预拉力可使用ANSYS中的预拉力单元Prets179来施加。
对于本螺栓连接构件中,为了准确模拟两连接板通过螺栓连接而产生的接触面的受力分析,自然要选择接触分析的单元,接触问题是一种高度非线性行为,本论文选取目标单元targe170和接触单元Conta174来模拟这一接触状态。
ANSYS程序自身可以通常调节一些参数自行进行求解分析。
高强度螺栓连接副包括螺栓、螺母和垫圈。其中螺母和垫圈多采用45号钢和40B,螺栓多采用20MnTiB钢,主要分析的是螺栓的承载力,本文分析的是8.8级的高螺度螺栓,都按20MnTiB的材料选取,常温时的屈服强度为660Mpa,根据GB50017-2003的规定钢材的弹性模量统一取2.06×105Mpa,
模型按下图1所示;
图一
网格划分的好坏对于计算结果有很大的影响,畸形单元中可能会有病态的单元刚度矩阵,从而导致辞计算结果不准确甚至会使计算不收敛。为了保证有限元模型分析的准备性,在划分网格时为了避免出现畸形单元,建模时采用自底向上建模方法,通过生成关建点然后生成面积的方法,然后再由面积拉伸成体,这种方法易于控制网格划分。模型中全采用六面体单元的对映网格划分,从而能得到工整的网格,以加强问问题的收敛性和计算精度,本文的抗剪模型和抗拉模型的网格划分如图2、3所示。
图2
图3
高强螺栓连接受拉分析的有限元模拟及受力分析
如图建立图一中所示的构件约束,然后在结构图示处施加集中力P,其中P为初始外力,大小为175KN;通过ANSYS程序的求解,可以用ANSYS通用后处理(POST1)来观察和分析有限元的计算结果。
本论文需要的是加载点的力与位移的关系以及有代表性节点的应力与位移的关系。从而得到螺栓的极限承载力。
通过对抗拉高强度连接构件的有限元计算,可各处有限元模型在常温下达到极限承载力时的变形图和应力分布云图4。由图可知,此时最大应力值达到了577.9Mpa,超过了材料的比例强度,结构发生了塑性应变。由应力分布云图可以得出抗拉高强度螺栓连接在达到极限承载力时连接板已经分开,螺栓杆的应力已经达到其极限强度,有明显的劲缩现象。高强度螺栓的受拉的受力过程为在外荷载没有达到预拉之前,连接板在高强度螺栓的预拉力作用下紧紧连接在一起,当外荷载超过预拉力时连接板就开始分开,直到达到极限承载力时;板和螺栓杆的变形如图4所示:
图4
图5
图5-3为螺栓杆的应力变形曲线,由螺栓杆的应力变形曲线可分析出其受力过程。由此结果可以看出,构件的受力由预拉力加载段和外荷载加载段组成,在预拉力阶段,螺栓杆受到向下的拉力首先出现负方向的变形(本文所选取的是预拉力面以上的螺栓应力变形图,因此在加预拉力时,受到向下方向的拉力)。在外荷载阶段,外荷载小于预拉力时螺栓杆内应力不变,当外荷载超过预拉力后,应力逐渐增加至屈服应力,再进入强化阶段,最后达到钢材的强度时破坏。如图4所示抗拉高强度螺栓已经破坏,此时的外荷载的大小即可近视为高强度螺抗拉连接的极限承力。
(1)通过建立高强螺栓构件有限元模型并进行受拉分析,可以基本了解此构件的基本受 力情况;为了解高强螺栓的结构提供了一定的理论依据。
(2)预应力对构件的连接整体性非常重要,一旦预应力被外力抵消,构件便产生较大的变形,因此选择合适的预应力非常重要。
(3)如果本论文在分析建模的过程中,考虑温度等效应,对实际的构件受力将能得到更好的分析模拟。
综合自网络
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