拉力作用下高強螺栓連接的ansys模擬

2017-03-30 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

采用大型有限元分析軟件ANSYS,對鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接的受力分布規(guī)律進行了計算和分析,得出了該構(gòu)件的受力分布圖,從理論上對高強度螺栓連接的破壞形式和受力變化進行了分析研究,為進一步改進高強螺栓連接構(gòu)件的受力狀況和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了必要的理論依據(jù)。

引言

鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接具有施工簡單、耐疲勞、可拆換、連接的整體性和剛度較好等優(yōu)點,是鋼結(jié)構(gòu)中所廣泛采用的一種連接方式。因此有必要對其具體受力進行分析研究,本論文利用有限元軟件ansys模擬了一高強度螺栓構(gòu)件在受拉力作用之下的應(yīng)力狀況。

1 螺栓連接構(gòu)件基本參數(shù)

1.1 高強度螺栓的預(yù)拉力

高強度螺栓的預(yù)拉力是施加在連接構(gòu)件上,產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的整體性,通常來講希望能盡量高些,但為了保證螺栓不會在擰僅過程中發(fā)生屈服或斷裂,規(guī)范GBJ 17—88規(guī)定預(yù)拉力設(shè)計值按下式確定:

拉力作用下高強螺栓連接的ansys模擬ansys結(jié)構(gòu)分析圖片1

(1-1)

其中fy是鋼材的條件屈服強度;Ae為螺栓在螺紋處的有效截面面積。

1.2 連接處構(gòu)件接觸面的處理和抗滑移系數(shù)

高強度螺栓有摩擦型和承壓型兩種受里方式,本文僅僅討論摩擦型高強螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu);對于摩擦型高強螺栓而已,其構(gòu)件的接觸面(摩擦面)通常經(jīng)特殊處理,使其凈潔并粗糟,以提高其抗滑移系數(shù)μ;對于本論文中抗滑移系數(shù)選取為0.4。

2 高強螺栓連接有限元模型的建立

主要目的是通過ANSYS的3D實體建模,分析高強度螺栓抗拉在高溫下的工作性能以及溫度對高強度螺栓抗拉和抗剪的極限承載力的影響。建模過程中利用ANSYS的Pre-tension功能,施加高強度螺栓的預(yù)拉力,利用接觸單元來考慮螺栓和孔壁的接觸與分開的情況以及連接板之間的摩擦作用。在材料的選擇方面考慮到高強度螺栓在抗拉狀態(tài)下的受力分析,考慮了其強化階段的彈塑性模型;連接板選用雙析線彈塑性模型,分析過程中包含了材料、幾何和狀態(tài)的三重非線性。

2.1單元的選取

由于本文螺栓連接構(gòu)件分析中采用的是細化的實體有限元模型,因此選取了如下幾種單元:空間八節(jié)點SOLID45實體單元,預(yù)應(yīng)力單元Prets179,目標單元Targe170和接觸單元Contact174單元。SOLID45單元被用于三維的實體模型,有八個節(jié)點,每個節(jié)點有三個自由度:X、Y、Z方向的位移。這種單元能夠施加溫度荷載,有塑性、延性、應(yīng)力硬化、大變形、大應(yīng)變的性能。預(yù)應(yīng)力單元Prets179,用于模擬施加在高強螺栓中的預(yù)應(yīng)力狀態(tài);在高強度螺栓連接板中的預(yù)加荷載對連接的應(yīng)力發(fā)展過程和連接的承載力有重要的影響。高強度螺栓的預(yù)拉力可使用ANSYS中的預(yù)拉力單元Prets179來施加。

對于本螺栓連接構(gòu)件中,為了準確模擬兩連接板通過螺栓連接而產(chǎn)生的接觸面的受力分析,自然要選擇接觸分析的單元,接觸問題是一種高度非線性行為,本論文選取目標單元targe170和接觸單元Conta174來模擬這一接觸狀態(tài)。

ANSYS程序自身可以通常調(diào)節(jié)一些參數(shù)自行進行求解分析。

2.2材料模型的設(shè)定

高強度螺栓連接副包括螺栓、螺母和墊圈。其中螺母和墊圈多采用45號鋼和40B,螺栓多采用20MnTiB鋼,主要分析的是螺栓的承載力,本文分析的是8.8級的高螺度螺栓,都按20MnTiB的材料選取,常溫時的屈服強度為660Mpa,根據(jù)GB50017-2003的規(guī)定鋼材的彈性模量統(tǒng)一取2.06×105Mpa,

2.3模型尺寸及網(wǎng)格劃分

模型按下圖1所示;

圖一

網(wǎng)格劃分的好壞對于計算結(jié)果有很大的影響,畸形單元中可能會有病態(tài)的單元剛度矩陣,從而導(dǎo)致辭計算結(jié)果不準確甚至?xí)褂嬎悴皇諗俊榱吮ＷC有限元模型分析的準備性,在劃分網(wǎng)格時為了避免出現(xiàn)畸形單元,建模時采用自底向上建模方法,通過生成關(guān)建點然后生成面積的方法,然后再由面積拉伸成體,這種方法易于控制網(wǎng)格劃分。模型中全采用六面體單元的對映網(wǎng)格劃分,從而能得到工整的網(wǎng)格,以加強問問題的收斂性和計算精度,本文的抗剪模型和抗拉模型的網(wǎng)格劃分如圖2、3所示。

圖2

圖3

高強螺栓連接受拉分析的有限元模擬及受力分析

如圖建立圖一中所示的構(gòu)件約束,然后在結(jié)構(gòu)圖示處施加集中力P,其中P為初始外力,大小為175KN;通過ANSYS程序的求解,可以用ANSYS通用后處理(POST1)來觀察和分析有限元的計算結(jié)果。

本論文需要的是加載點的力與位移的關(guān)系以及有代表性節(jié)點的應(yīng)力與位移的關(guān)系。從而得到螺栓的極限承載力。

通過對抗拉高強度連接構(gòu)件的有限元計算,可各處有限元模型在常溫下達到極限承載力時的變形圖和應(yīng)力分布云圖4。由圖可知,此時最大應(yīng)力值達到了577.9Mpa,超過了材料的比例強度,結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性應(yīng)變。由應(yīng)力分布云圖可以得出抗拉高強度螺栓連接在達到極限承載力時連接板已經(jīng)分開,螺栓桿的應(yīng)力已經(jīng)達到其極限強度,有明顯的勁縮現(xiàn)象。高強度螺栓的受拉的受力過程為在外荷載沒有達到預(yù)拉之前,連接板在高強度螺栓的預(yù)拉力作用下緊緊連接在一起,當(dāng)外荷載超過預(yù)拉力時連接板就開始分開,直到達到極限承載力時;板和螺栓桿的變形如圖4所示:

圖4

圖5

圖5-3為螺栓桿的應(yīng)力變形曲線,由螺栓桿的應(yīng)力變形曲線可分析出其受力過程。由此結(jié)果可以看出,構(gòu)件的受力由預(yù)拉力加載段和外荷載加載段組成,在預(yù)拉力階段,螺栓桿受到向下的拉力首先出現(xiàn)負方向的變形(本文所選取的是預(yù)拉力面以上的螺栓應(yīng)力變形圖,因此在加預(yù)拉力時,受到向下方向的拉力)。在外荷載階段,外荷載小于預(yù)拉力時螺栓桿內(nèi)應(yīng)力不變,當(dāng)外荷載超過預(yù)拉力后,應(yīng)力逐漸增加至屈服應(yīng)力,再進入強化階段,最后達到鋼材的強度時破壞。如圖4所示抗拉高強度螺栓已經(jīng)破壞,此時的外荷載的大小即可近視為高強度螺抗拉連接的極限承力。

4 結(jié)論

(1)通過建立高強螺栓構(gòu)件有限元模型并進行受拉分析,可以基本了解此構(gòu)件的基本受力情況;為了解高強螺栓的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù)。

(2)預(yù)應(yīng)力對構(gòu)件的連接整體性非常重要,一旦預(yù)應(yīng)力被外力抵消,構(gòu)件便產(chǎn)生較大的變形,因此選擇合適的預(yù)應(yīng)力非常重要。

(3)如果本論文在分析建模的過程中,考慮溫度等效應(yīng),對實際的構(gòu)件受力將能得到更好的分析模擬。

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