Ansys螺栓預(yù)緊力(Hypermesh前處理）

2017-03-12  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

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工程上由于螺栓預(yù)緊問題而導(dǎo)致的事故層出不窮。預(yù)緊力到底是什么?預(yù)緊力有什么用?是不是預(yù)緊力越大越好?本文就一個簡單的螺栓預(yù)緊分析和大家就此問題進(jìn)行初探。一來就如何在ansys中設(shè)置螺栓預(yù)緊進(jìn)行說明,二來也是和讀者一起看下在螺栓預(yù)緊作用下機體的反應(yīng)。(前處理部分雖然是在hypermesh中完成,但是無論是在ansys中還是在workbench中思路與操作均類似)

預(yù)緊及其作用

絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時都必須擰緊,使連接在承受工作載荷之前預(yù)先收到力的作用。這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性,以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移。經(jīng)驗證明,適當(dāng)選用較大的預(yù)緊力對螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強度都是有利的,特別是對于像氣缸蓋、管路凸緣、齒輪箱、軸承蓋等緊密性要求較高的螺紋連接,預(yù)緊更為重要。但過大的預(yù)緊力會導(dǎo)致整個連接的結(jié)構(gòu)尺寸增大,也會使連接件在裝配或偶然過載時被拉斷。因此,為了保證連接所需要的預(yù)緊力,又不使螺紋連接件過載,對重要的螺紋連接,在裝配時要控制預(yù)緊力。通常規(guī)定,擰緊后螺紋連接件在預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料屈服極限的80%?！稒C械設(shè)計》

問題描述

上下兩塊薄鋼板左端面固支,兩個連接螺栓均施加2000N預(yù)緊力。試分析在螺栓預(yù)緊作用下的整體應(yīng)力分布情況以及厚板右端面的拉力上限。

分析流程

①幾何模型建立

在任意三維軟件中建立上述裝配體(也可以直接在單個零件圖中建立多個實體部分)。然后將建立好的模型另存為通用格式導(dǎo)入hm中進(jìn)行前處理。由于模型具有良好的對稱性,因此可以只取一般模型進(jìn)行分析。并且模型中的每個部件也具有良好的對稱性,因此為了更便捷的完成網(wǎng)格劃分,最后只需留下下面的部分,其余部分均可以通過鏡像與平移獲得。

②網(wǎng)格劃分

對上述模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)合一定的鏡像與平移得到總體網(wǎng)格如下

③相關(guān)屬性建立與關(guān)聯(lián)

創(chuàng)建材料steel

彈性模量:2e5MPa

泊松比:0.3

摩擦系數(shù):0.3

創(chuàng)建單元:solid185

將材料與單元屬性分別賦予對應(yīng)的網(wǎng)格即可

④創(chuàng)建接觸

總共需要創(chuàng)建六個接觸對,分別為上板與中板的接觸,下板與中板的接觸,螺栓1上部分與上板的接觸,螺栓1下部分與下板的接觸,螺栓2上部分與上板的接觸,螺栓2下部分與下板的接觸。所有的接觸對均采用增廣拉格朗日法,高斯點探測,不自動調(diào)整接觸對,每一子步自動更新接觸剛度選項。

⑤創(chuàng)建預(yù)緊單元

預(yù)緊力定義使用的是prets179單元,該單元有i、j、k三個節(jié)點組成,只有一個平動自由度ux。節(jié)點i、j最初是重合的,分別位于施加預(yù)緊力的兩個表面,k是預(yù)緊節(jié)點,用來定義i、j的相對位移,可以在總體笛卡爾坐標(biāo)系下的任何位置。

利用1D-spotweld,element configure選擇bar2,indep選擇下螺栓交界面節(jié)點,dep選擇上螺栓交界面節(jié)點,在一定的容差范圍內(nèi)生成預(yù)緊單元。

然后在1D-bars面板指定所有預(yù)緊單元共用的預(yù)緊節(jié)點(任意孤立節(jié)點)

最后在section面板中創(chuàng)建預(yù)緊單元預(yù)緊屬性,主要定義預(yù)緊節(jié)點的預(yù)緊方向,最后定義好預(yù)緊單元并且關(guān)聯(lián)預(yù)緊單元屬性

至此為止有限元模型已經(jīng)建立完畢,包含實體單元,接觸單元與預(yù)緊單元三個部分。

⑥預(yù)緊力施加

在analysis面板下的control cards中選擇sload施加預(yù)緊力。

Secid指定要施加預(yù)緊力的預(yù)緊截面編號

Plnlab預(yù)緊力施加的順序,規(guī)則為pl01~pl99

Kinit預(yù)緊力施加的初始效果,tiny指完全施加預(yù)緊力之前先使用微小的預(yù)緊力載荷以助于收斂

Kfd用于指定預(yù)緊載荷形式,可以為力或者位移

Fdvalue指定預(yù)緊力大小(一半的模型施加一半預(yù)緊即可)

Lsload指定預(yù)緊力施加的載荷步

Lslock指定在哪一個載荷步鎖定由預(yù)緊力引起的位移,以便后續(xù)分析步考慮

⑦邊界條件

固定上下板的左端面三個平動自由度,在中間板右端面施加向右的位移0.1mm,約束切面所有節(jié)點的z向自由度模擬對稱約束。然后建立三個載荷步,前兩個載荷步用于施加預(yù)緊力,最后一個載荷步用于施加位移載荷。

⑧求解設(shè)置

⑨后處理

分析結(jié)果可以由ansys讀取,也可以使用hyperview直接讀取rst文件進(jìn)行后處理,這里直接使用hyperview讀取。

螺栓

螺栓

接觸狀態(tài)云圖

施加完位移載荷后米塞斯應(yīng)力云圖

加力端支反力時程曲線

上述結(jié)果很明顯可以看出預(yù)緊力為2000N的時候,螺栓上的最大應(yīng)力接近400MPa(光順掉應(yīng)力集中部分),在該預(yù)緊作用下理論上可承受拉力為0.3*2*2000=1200N,分析結(jié)果為1175N左右(產(chǎn)生差別的原因可能是多方面的,這里暫時不探討)。螺栓預(yù)緊力越大,可以承受的拉力載荷越大也即機體的連接性能越好,但是過大會導(dǎo)致螺栓本身以及連接部分的材料屈服而失效。在做裝配體分析時,事先施加好螺栓預(yù)緊對分析結(jié)果的影響很大,這點需要注意。

然而,上述分析并沒有直接說明預(yù)緊作用是怎么起作用的,下面我將預(yù)緊完以后螺栓1的變形圖放大80倍,以便讀者更清楚地了解到預(yù)緊作用的機理。

左邊是全部預(yù)緊力施加之后的變形,右端是只施加微小預(yù)緊力的變形?？梢钥匆?左邊施加預(yù)緊力的界面出現(xiàn)了相互貫穿,也即相互拉扯,這正是預(yù)緊單元的作用。預(yù)緊單元通過以一定的力或者相對位移拉扯施加預(yù)緊力的截面相對移動來模擬螺栓內(nèi)部的拉力實現(xiàn)預(yù)緊。這是一種無接觸識別的貫穿,和有接觸識別的接觸對偏移模擬過盈配合正好是完全相反的作用機理,明白了這個相信大家就知道如何在任意部位實現(xiàn)預(yù)緊作用,只要有相對應(yīng)的節(jié)點,不管是梁單元,實體單元還是殼單元都可以方便的模擬預(yù)緊作用。

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