Ansys螺栓预紧力(Hypermesh前处理）

2017-03-12 by:CAE仿真在线来源:互联网

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工程上由于螺栓预紧问题而导致的事故层出不穷。预紧力到底是什么?预紧力有什么用?是不是预紧力越大越好?本文就一个简单的螺栓预紧分析和大家就此问题进行初探。一来就如何在ansys中设置螺栓预紧进行说明,二来也是和读者一起看下在螺栓预紧作用下机体的反应。(前处理部分虽然是在hypermesh中完成,但是无论是在ansys中还是在workbench中思路与操作均类似)

预紧及其作用

绝大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧,使连接在承受工作载荷之前预先收到力的作用。这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性,以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。经验证明,适当选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性以及连接件的疲劳强度都是有利的,特别是对于像气缸盖、管路凸缘、齿轮箱、轴承盖等紧密性要求较高的螺纹连接,预紧更为重要。但过大的预紧力会导致整个连接的结构尺寸增大,也会使连接件在装配或偶然过载时被拉断。因此,为了保证连接所需要的预紧力,又不使螺纹连接件过载,对重要的螺纹连接,在装配时要控制预紧力。通常规定,拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80%。——《机械设计》

问题描述

上下两块薄钢板左端面固支,两个连接螺栓均施加2000N预紧力。试分析在螺栓预紧作用下的整体应力分布情况以及厚板右端面的拉力上限。

分析流程

①几何模型建立

在任意三维软件中建立上述装配体(也可以直接在单个零件图中建立多个实体部分)。然后将建立好的模型另存为通用格式导入hm中进行前处理。由于模型具有良好的对称性,因此可以只取一般模型进行分析。并且模型中的每个部件也具有良好的对称性,因此为了更便捷的完成网格划分,最后只需留下下面的部分,其余部分均可以通过镜像与平移获得。

②网格划分

对上述模型进行网格划分,结合一定的镜像与平移得到总体网格如下

③相关属性建立与关联

创建材料steel

弹性模量:2e5MPa

泊松比:0.3

摩擦系数:0.3

创建单元:solid185

将材料与单元属性分别赋予对应的网格即可

④创建接触

总共需要创建六个接触对,分别为上板与中板的接触,下板与中板的接触,螺栓1上部分与上板的接触,螺栓1下部分与下板的接触,螺栓2上部分与上板的接触,螺栓2下部分与下板的接触。所有的接触对均采用增广拉格朗日法,高斯点探测,不自动调整接触对,每一子步自动更新接触刚度选项。

⑤创建预紧单元

预紧力定义使用的是prets179单元,该单元有i、j、k三个节点组成,只有一个平动自由度ux。节点i、j最初是重合的,分别位于施加预紧力的两个表面,k是预紧节点,用来定义i、j的相对位移,可以在总体笛卡尔坐标系下的任何位置。

利用1D-spotweld,element configure选择bar2,indep选择下螺栓交界面节点,dep选择上螺栓交界面节点,在一定的容差范围内生成预紧单元。

然后在1D-bars面板指定所有预紧单元共用的预紧节点(任意孤立节点)

最后在section面板中创建预紧单元预紧属性,主要定义预紧节点的预紧方向,最后定义好预紧单元并且关联预紧单元属性

至此为止有限元模型已经建立完毕,包含实体单元,接触单元与预紧单元三个部分。

⑥预紧力施加

在analysis面板下的control cards中选择sload施加预紧力。

Secid指定要施加预紧力的预紧截面编号

Plnlab预紧力施加的顺序,规则为pl01~pl99

Kinit预紧力施加的初始效果,tiny指完全施加预紧力之前先使用微小的预紧力载荷以助于收敛

Kfd用于指定预紧载荷形式,可以为力或者位移

Fdvalue指定预紧力大小(一半的模型施加一半预紧即可)

Lsload指定预紧力施加的载荷步

Lslock指定在哪一个载荷步锁定由预紧力引起的位移,以便后续分析步考虑

⑦边界条件

固定上下板的左端面三个平动自由度,在中间板右端面施加向右的位移0.1mm,约束切面所有节点的z向自由度模拟对称约束。然后建立三个载荷步,前两个载荷步用于施加预紧力,最后一个载荷步用于施加位移载荷。

⑧求解设置

上述控制分别为,进入求解设置模块,定义分析类型,输出所有子部所有结果,打开自动时间步长,定义求解子步数,大开大变形开关,最后求解所有子步结果。将上述文件导出为cbd格式以后,由ansys经典读取进行分析。

⑨后处理

分析结果可以由ansys读取,也可以使用hyperview直接读取rst文件进行后处理,这里直接使用hyperview读取。

螺栓

1施加完预紧力米塞斯应力云图

螺栓

2施加完预紧力米塞斯应力云图

接触状态云图

施加完位移载荷后米塞斯应力云图

加力端支反力时程曲线

上述结果很明显可以看出预紧力为2000N的时候,螺栓上的最大应力接近400MPa(光顺掉应力集中部分),在该预紧作用下理论上可承受拉力为0.3*2*2000=1200N,分析结果为1175N左右(产生差别的原因可能是多方面的,这里暂时不探讨)。螺栓预紧力越大,可以承受的拉力载荷越大也即机体的连接性能越好,但是过大会导致螺栓本身以及连接部分的材料屈服而失效。在做装配体分析时,事先施加好螺栓预紧对分析结果的影响很大,这点需要注意。

然而,上述分析并没有直接说明预紧作用是怎么起作用的,下面我将预紧完以后螺栓1的变形图放大80倍,以便读者更清楚地了解到预紧作用的机理。

左边是全部预紧力施加之后的变形,右端是只施加微小预紧力的变形。可以看见,左边施加预紧力的界面出现了相互贯穿,也即相互拉扯,这正是预紧单元的作用。预紧单元通过以一定的力或者相对位移拉扯施加预紧力的截面相对移动来模拟螺栓内部的拉力实现预紧。这是一种无接触识别的贯穿,和有接触识别的接触对偏移模拟过盈配合正好是完全相反的作用机理,明白了这个相信大家就知道如何在任意部位实现预紧作用,只要有相对应的节点,不管是梁单元,实体单元还是壳单元都可以方便的模拟预紧作用。

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