基于ABAQUS的螺栓支架应力强度分析及其改进方式.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.11.035基于ABAQUS的螺栓支架应力强度分析及其改进方式赵益兴（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）摘要 以螺纹连接中的螺栓连接作为研究对象，针对螺栓支架在结构设计方面存在的局部应力值较大问题，采用ABAQUS 仿真分析的方法进行了螺栓支架连接的仿真，得到支架受竖直向上外力条件下，支架和螺栓的应力分布云图。首先分析了螺栓支架连接可能发生破坏的位置，其次通过数学公式分析了螺栓受到的附加外力，最后对螺栓支架在局部应力强度较大问题提出了一些改进方式，可以为螺栓支架连接的可靠性提供理论依据。关键词 螺栓支架；应力强度；ABAQUS 仿真；改进方式 中图分类号 U464.133 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)11-0174-03引用格式：赵益兴.基于ABAQUS 的螺栓支架应力强度分析及其改进方式 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):174-176.Stress strength analysis of bolt support based on ABAQUS and its improvement methodZHAO Yixing(School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract The bolted connection in the threaded connection was taken as the research object.Aiming at the problem of large local stress value in the structural design of the bolted support,ABAQUS simulation analysis method was used to simulate the bolted support connection.The stress distribution nephogram of support and bolt was obtained when the support was subjected to vertical upward external force.Firstly,the possible damage location of the bolted support connection was analyzed.Secondly,the additional external force on the bolt was analyzed through the mathematical formula.Finally,some methods of improvement were proposed for the problem of large local stress strength of the bolted support.This study can provide a theoretical basis for the reliability of bolted support connections.Key words bolt support;stress intensity;ABAQUS simulation;methods of improvement0 引言工程结构中有多种连接方式，包括螺栓连接、键连接、过盈连接、焊、粘、铆等1，螺栓连接是常见连接中的一种，其连接状态和各部位受力程度直接影响到工程设备的安全服役。邢建伟等2对法兰对接和径向套接 2 种典型螺栓连接形式的结构刚度进行对比分析和研究；江国栋等3对在高温环境下服役的螺栓进行失效分析，发现高温产生蠕变、预紧力和交变应力过大，导致应力集中处产生微裂纹，微裂纹扩展导致螺栓失效断裂；石虹4对高强度螺栓失效原因进行多维度分析和讨论，提出了可能导致螺栓失效的若干因素；陈海平等5通过解析法、光弹试验法和有限元法对螺纹副承载的分布规律进行了细致的研究。目前研究的主要问题集中在螺栓连接的受力及螺栓失效因素。本文基于最常见的螺栓支架连接中支架受外部拉力，对螺栓支架所受应力强度进行分析，得到局部危险区，并据此提出相应的改进方式。1 螺栓支架的建模一种常见的螺栓支架连接结构及其尺寸分别如图 1 和图 2 所示，在 ABAQUS 软件中对其进行建模6。对于支架，定义全局种子，在尺寸控制中定义近似全局尺寸为 2；对于螺栓，选择 1 作为近似全局尺寸；在网格控制单元形状中定义六面体单元。将支架和螺栓进行装配，将螺栓轴线与支架通孔所在的轴线重合，并且使螺栓头部下端面与支架的上表面重合。ABAQUS 中有 2 种接触方式：接触对和通用接触。通用接触算法的相互作用主体、接触属性、接触面属性可以各自独立指定，提供了一种更有弹性的方法去增加模型中接触的细节，通用接触允许非常自动化的接触定义。本支架螺栓连接将二者之间的接触定义为通用接触7。定义螺栓支架为弹性材料，选择杨氏模量为2.1e3 MPa，泊松比为 0.31。定义分析步：最大增量步 1 000，初始增量、最小增量尺寸、最大增量收稿日期：2022-11-07175第 61 卷第 11 期尺寸分别为 0.01、1E-05、0.1。定义场输出结果：在应力中选择应力分量和不变量；在位置、速度、加速度中定义平移和旋转8-9。最后进行边界条件和受载的设定：将 4 个螺栓部件的小头端面完全固定。最后在支架上方施加向上的拉力，大小为 0.5 N。2 螺栓支架的仿真分析提交模型，螺栓支架连接受力前后仿真云图分别如图 3、图 4 所示，可用 15 帧表现螺栓支架连接中各个部位的受力情况。由图 3 可知，装配体中各部位的所受应力均为0。由图4可以明显看到，支架拐角处所受的应力较大，因为拐角处呈 90，在拉力作用下呈现出较大的应力集中效应，易产生裂纹甚至断裂10。为了更加清晰地呈现螺栓支架连接中螺栓和支架各自所受应力的情况，将支架和4个螺栓分离，应力云图分别如图 5 和图 6 所示。从图 5 可以明显看出，螺栓孔靠近外表面区域所受应力较大，约为14.06 N。由图 6 可见，螺栓根部靠近内侧区域所受应力较大。3 受力分析参见图 7，每个螺栓受到的竖直向上的拉力为,FnFi1 2 3 4iz=_i (1)式中：i1 号 4 号螺栓；n螺栓连接的总数量，n=4。.NFFFF40 50 1251234=(2)每个螺栓承受的弯矩为.MFMFMFMF0 5803042 720yzyzyzyz123422#=+=gggg (3)N mm 图 3 未受力状态下的螺栓支架连接应力云图Fig.3 Cloud chart of bolt support connection stress under unstressed conditionS,Mises(Avg:75%)+2.410e+01+2.209e+01+2.009e+01+1.808e+01+1.607e+01+1.406e+01+1.205e+01+1.004e+01+8.034e+00+6.026e+00+4.017e+00+2.009e+00+0.000e+00S,Mises(Avg:75%)+2.410e+01+2.209e+01+2.009e+01+1.808e+01+1.607e+01+1.406e+01+1.205e+01+1.004e+01+8.034e+00+6.026e+00+4.017e+00+2.009e+00+0.000e+00图 4 受力后的螺栓支架连接受力云图Fig.4 Stress nephogram of bolt support connection after stressS,Mises(Avg:75%)+2.410e+01+2.209e+01+2.009e+01+1.808e+01+1.607e+01+1.406e+01+1.205e+01+1.004e+01+8.034e+00+6.026e+00+4.017e+00+2.009e+00+0.000e+00图 5 支架受力后的应力云图 Fig.5 Stress nephogram of support after stress图 6 螺栓受力后的应力云图 Fig.6 Stress nephogram of bolt after stress图 2 螺栓尺寸图Fig.2 Bolt size单位：mm俯视图2053018正视图图 1 支架尺寸图Fig.1 Dimension of support1202002010020正视图侧视图俯视图504 R920单位：mm赵益兴：基于 ABAQUS 的螺栓支架应力强度分析及其改进方式176农业装备与车辆工程 2023 年4 改进方式为了尽可能减小或者消除由于结构带来的局部应力较大导致的破坏，针对该连接结构提出较为可行的解决方案。对于支架：（1）避免或者减少附加应力，提高加工工艺和精度，使支架表面和螺栓表面接触面紧密贴合。在未加工条件下，要将支架和螺栓连接，通常采用沉头座或凸台，避免所产生的弯曲应力减少螺栓使用寿命；（2）在满足现有加工工艺的前提下适当增加过渡处的圆角半径。当无法增加过渡半径时，宜采取切至卸载槽的办法使其螺栓受力分散，达到减小应力集中的目的；（3）在支架处有集中载荷的地方增加加劲肋，提高支架的局部稳定，设置条状加强件可以提高支架的稳定性和抗扭性能，适宜在两侧成对配置。对于螺栓件：（1）采用更好的制造工艺，加工制作疲劳强度更高的螺栓；（2）采用表面热处理方式提高螺栓的疲劳强度，比如渗碳、渗氮、碳氮共渗、喷丸处理；（3）适当增加螺栓根部和头部连接处的过渡半径，避免较大的应力集中11。此外，减少应力幅，螺栓的最大应力一定时，应力幅越小疲劳强度越高。在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下，减小螺栓刚度或增大被联接件的刚度都能达到减小应力幅的目的，但预紧力应增大。减小螺栓刚度的措施有：（1）适当增大螺栓的长度；（2）部分减小栓杆直径或做成中空结构，即柔性螺栓；（3）在螺母下面安装弹性元件，也能达到与柔性螺栓相同的效果。柔性螺栓受力时变形量大，吸收能量作用强，也适于承受冲击和振动。为了增大被连接系统的刚度，不宜选用刚度小的垫片12-14。5 结论（1）本文基于 ABAQUS 软件，对常见的螺栓支架连接进行应力强度分析，支架在外加拉力的作用下，螺栓头部、杆部的连接处以及螺栓根部和支架的拐角处受到的应力较大，存在应力集中现象，极易造成安全问题；（2）针对局部受力较大问题，应对支架采用更高的加工工艺，增加过渡处圆角半径，在应力集中处增加加劲肋等方法。同时，可以采用柔性螺栓，在螺栓和支架连接处增加橡胶圈等方式来保证螺栓受力较小。参考文献1 孙训方.材料力学 M.北京:高等教育出版社,2011.2 邢建伟,许彦昭,栾宇,等.两种典型螺栓连接结构的刚度特性比较研究 J.力学与实践,2016,38(1):27-32.3 江 国 栋,张 雪 华.高 温 螺 栓 失 效 研 究 J.热 加 工 工艺,2014,43(4):218-219,222.4 石虹.高强度螺栓失效若干因素的研究 D.沈阳:东北大学,2012.5 陈海平,曾攀,方刚等.螺纹副承载的分布规律 J.机械工程学报,2010,46(9):171-178.6 苏德利,刘文顺.杆件在复杂内力作用下的强度分析 J.沈阳师范大学学报(自然科学版),2010,28(3):383-386.7 江金锋,张颖,孙秦.基于 Global/Local 法的螺栓连接结构静强度渐进破坏 J.南京航空航天大学学报,2010,42(3):318-321.8 詹源,谭蓉等.高强度螺栓在钢管杆法兰连接中的设计 J.陕西电力,2007(5):42-44.9 苏德利,刘文顺.钢结构围焊构件在多力作用下的焊缝强度分析 J.吉林建筑工程学院学报.2011,28(1):19-21,40.10 曾声奎.可靠性设计与分析 M.北京:国防工业出版社,2011.11 何松,倪国庆,冷峻,等.谷物联合收割机滚筒轴强度 CAE 设计步骤及优化方法 J.农业机械,2019(11):109-112.12 秦永峰,冷峻,韩克翠,等.谷物收割机割台侧壁改进设计 CAE 有限元分析及优化措施 J.农 业 机 械,2020(7):106-109.13 李学文,冷峻,丁雄飞,等.自走式玉米机底盘机架强度 CAE 分析与改进 J.农业机械,2020(7):99-101.14 张延成,冷峻,戴绍普,等.玉米收获机发动机连接位置底盘机架强度 CAE 分析 J.农业机械,2020(8):101-104.作者简介 赵益兴（1996-），男，硕士研究生，研究方向：汽车零部件损伤与轻量化。E-mail：My2(Fz)My2(Fz)My2(Fz)My1(Fz)Fz=0.5 NFyFx方向：竖直向上图 7 结构受力分析示意图Fig.7 Schematic diagram of structural stress analysis