搜索使用COSMOSWorks对装配体进行分析处理
2013-05-01 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
摘要:COSMOSWorks创新是指采用工程化的理念将专业分析人员难于使用但必须用于装配体的各种接头进行工程化分析,使普通设计人员也可以进行复杂的装配体分析。本文针对螺栓使用的基本概念、理论和使用技巧提出了详细地论述。
一、引言
接头是一种用来定义某个面与另一个面或与地之间连接方式的装置。在很多实际设计中经常会遇到接头,并且使用它可以简化建模的过程。在许多情况下,专业的分析人员可以直接模拟所需的行为,而不必生成详细的几何体或定义接触条件。但是,尽管他们有专业的知识和经验,进行装配体分析仍然非常困难,并且需要消耗大量时间。例如模拟销钉连接,专业的分析人员通常必须对穿过铰链圆筒的销钉进行建模,并定义销钉和圆柱表面之间的缝隙接触,然后才能开始真正的分析。他们需要有足够智能的软件为他们完成其中最困难的部分,这正是COSMOSW orks和COSMOSDesignSTAR所具备的,这两个程序中包含虚拟的接头,使得包括销钉、弹簧、螺栓和螺钉装配体的分析都变得非常轻松和快速。并且COSMOSWorks在精确度上没有任何折扣,它提供简洁的用户界面,采用直接简单的输入,将许多以前由分析人员执行的任务放到软件中执行,从而得到全面、精确的结果。
二、螺栓接头概述
以传统方式对螺栓和螺钉接头进行建模和分析可以说非常困难,这是因为这种模拟必须考虑螺栓的预紧力和剪切力的影响。COSMOSWorks提供了可以处理此类分析问题的虚拟螺栓接头,如图1所示。用户还可以了解螺栓上的轴向反作用力和抗剪反作用力,以确定螺栓大小;还可以确定特定螺栓大小所产生的锁模力以及拧紧扭矩是否足以克服外部载荷。COSMOSWorks还内置了分析智能,设计工程师只需定义几个必需的参数,即可让程序执行复杂的计算。其中用户必须定义的参数包括:与螺栓头接触的法兰面、螺栓杆、螺母(如果该接头为螺钉,则不需要螺母)、螺栓直径、螺栓材料以及螺栓预载。如果用户给出螺栓拧紧扭矩和扭矩系数以确定螺栓螺纹上的摩擦力,该软件可以自动计算螺栓预载。
COSMOSWorks以简单统一的界面来要求用户确定螺栓连接方式、螺栓接触面、螺栓直径以及材料等项目,利用这些信息,COSMOSWorks就可以计算并给出确定螺栓大小所需的结果,并且所有这些输入都可以在一个对话框中完成。在完成求解后,COSMOSWorks会提供以下结果:作用在该螺栓上的轴向力、剪切力以及扭矩。
COSMOSWorks还可以模拟接地螺栓的特性。例如红绿灯柱上的螺栓的特性,在这种情况下,螺栓是嵌入到人行道的混凝土中的。对于接地螺栓,COSMOSWorks使用虚拟壁选项模拟混凝土地面,因而减小了分析模型的规模。
三、螺栓接头有限元的实现原理
虚拟螺栓接头虽然不提供关于螺栓/螺母上的应力分布的数据,但能提供螺栓对相邻零件或整个装配体的影响。如果螺栓/螺母上的应力分布非常重要,用户便可以在对螺栓特性进行建模时包含螺栓和螺母的实体模型,然后使用接触条件而不是虚拟螺栓接头进行建模。
与销钉接头一样,COSMOSWorks利用横梁单元对螺栓杆进行建模,该横梁单元通过刚性杆单元连接到螺栓头和法兰之间的接触面,螺栓杆的另一端通过另一组刚性杆单元连接到螺母和法兰之间的接触面。该软件通过对横梁应用轴向力对螺栓预载进行建模,此处使用的横梁单元是一个只承受张力的单元,它只抗张力而不抗压力。如果螺栓杆直径与法兰上的孔直径相同(即紧密配合),该软件则会通过连接法兰孔面和螺栓杆之间的刚性杆单元对抗剪效应进行建模。如图2所示,螺栓特性是通过横梁单元和杆单元进行建模。横梁单元应由杆单元连接到螺栓接触面上的所有节点,并且需要对螺母接触面上的所有节点重复相同的过程。
四、螺栓连接的一般性假设
在COSMOSWorks中的螺栓连接是基于以下假设条件:
◎ 螺栓头、垫圈和螺母的接触面一直保持接触,不会在剪切载荷下滑动(具有无限大的摩擦);
◎ 如果在螺栓选项中选择了紧密配合选项,螺栓杆是通过刚性连接穿过通孔的,它们不能相对滑动或者在剪切载荷下变形;
◎在螺栓中无间隙或者弹性;
另外,在任何情况下,螺栓杆不需要与通孔相结合。
五、螺栓紧密配合选项
如果螺栓柄的半径等于与其中至少一个零部件相关联的圆柱面的半径,则复选此选项。设定为紧密配合的圆柱面则被该程序设为刚性,它只与螺栓柄一起作为刚性实体产生变形。模拟结果取决于螺栓带螺母还是不带螺母。并且紧密配合选项必须选择通孔,假设螺栓没有径向间隙,类似于“堵”上孔。实际上,COSMOSWorks保证了孔包围着螺栓刚体,以致于无局部变形。这个结果造成螺栓/孔刚度过大,因此使用时需要小心。
如图3所示,采用螺栓接头和实体螺栓在受剪工况下结果有30%的差异,因此在受剪占主导的工况下,螺栓连接是非保守的。
六、螺栓预载荷的确定与实现
在螺栓模型的有限元分析中,预紧力是非常重要的参数。在COSMOSWorks中螺栓预载荷有两种定义方法:轴向力和螺栓预紧力矩。
1.轴向预紧力
轴向预紧力的施加有相应的算法,这里不做详细地论述。也可以采用以下的螺栓拧紧后的预紧应力经验公式进行计算:对于一般机械:σ1=(0.5~0.7)σs;对于钢结构高强度螺栓:σ1=(0.75~0.)85σs;对于航空航天紧固件:σ1≈0.35σs。
2.预紧力矩控制
轴向预载荷到预紧力矩的转换使用以下关系:
螺栓包括螺母: Faxial=T/(K*D) 转矩施加在螺母上;
螺栓不包括螺母: Faxial=T/(K*D*1.2) 转矩施加在螺栓头上;
其中系数1.2用于补偿当螺栓头被拉紧时螺栓杆的垫圈弹性回弹。
参数说明:T=施加的力矩,D=名义直径,K=力矩摩擦系数。其中D为名义计算直径,它和螺纹类型、螺纹螺距有关,并且有相应公式可以计算得到,这里不做具体介绍。其中K为力矩摩擦系数,对预紧力矩的影响较大。
其中D是螺纹标称直径;dm是螺纹的平均直径;λ是螺纹升角tanλ= p/πdm (p是螺距);μ是螺纹的摩擦系数;μc是凸缘的摩擦系数(位于螺纹头部);2α=螺纹角(梯形螺纹2α=29 ,ISO公制螺纹2α=60)。表1中附上的为在不同材料及相应润滑状态下的螺栓力矩摩擦系数。
3.螺栓预载荷的其他实现办法
由于螺栓预载荷可以采用载荷指示垫圈进行控制,因此也可以采用过盈配合的方式实现螺栓的预载荷(如图4所示)。
4.螺栓预载荷的控制方法
对于采用不同的预载荷控制方法,会造成不同的误差,这对于实际运用预载荷和试验比照影响较大,如表2所示。
七、实例分析:压力容器的疲劳强度分析
如图5所示,材料为“Aluminum Alloy 2024”的压力容器将接受疲劳寿命的评估,它将遭受一百万次的应力循环加载,每次压力载荷和热应力载荷压力载荷都是0.145Pa,而热应力载荷对应的热流量是1500W/m2。
该问题采用对称模型来简化模型,先进行温度场计算,然后计算热应力和结构应力,中间考虑螺栓连接和接触关系,最后进行两个工况下的疲劳分析,得到最大损伤值为1.19。这显然超过了结构的疲劳强�
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