螺紋連接預緊力有限元分析及實驗研究-機械論文

摘要：本文運用有限元理論，以ANSYS軟件為分析平臺，建立了螺栓連接的有限元模型，分析了螺栓在預緊過程中各圈螺紋副的受力情況，通過積分求得了螺紋副間的摩擦力矩，確定了預緊力與預緊力矩之間的關系，并通過實驗進行了驗證，得到一個可以應用到工程實際中的預緊扭矩系數值，為提高扭矩法控制螺紋連接預緊力的精度和建立各種型號螺栓連接的預緊力—扭矩關系數據庫奠定了基礎。

關鍵詞：螺紋連接 預緊力 扭矩系數 有限元

1  引言

螺紋連接結構簡單，拆裝方便，是機械結構中應用最廣泛連接方式。受軸向預緊力的螺紋連接應用最為廣泛。施加合適的螺紋連接預緊力，能提高結構的承載能力、改善結構的應力分布、增加結構的工作可靠性。預緊力過大，將導致結構承載能力的下降，螺栓在載荷作用下會發生螺紋屈服、松脫、延遲斷裂；預緊力不足，被連接件在載荷作用下會產生間隙或松動，改變螺栓的受力狀態，降低螺栓強度，降低疲勞強度。預緊力控制不均勻，將導致螺栓受力不均，個別螺栓超過設計載荷，導致螺栓組整體強度下降，整個機械結構、設備安裝連接失效。因此，預緊力控制對機械結構顯得尤為重要。

目前控制螺紋預緊力的方法有四種，即螺栓伸長法，扭矩法，扭矩—轉角法和屈服點法。螺栓伸長法、屈服點法這二種方法因為其工程實用性差，控制成本高，現在只在實驗室研究中應用；扭矩-轉角法則因其設備昂貴，并且應用起來不方便，主要應用于發動機缸蓋聯接等重要特殊部位。扭矩法在工程中應用最方便、最廣泛，經濟性最好，但控制精度需要提高。目前，通過力矩控制法來控制預緊力是經濟型最高的控制方法，并且大范圍的應用，但是在通過預緊力與預緊扭矩的關系，求取扭矩系數K值的時候，螺紋連接采用的是簡化模型，認為整個螺旋副上的受力均等，這個模型有很大的局限性，因為實際情況，每圈螺紋的受力情況都是不同的，從而求得的K值不準確，從而預緊后得到預緊力的離散度大，使得扭矩控制法的精度受到影響。往往在實際操作中，有很多螺紋沒有達到預緊目的，對設備運行的可靠性影響很大。

本文通過有限元分析得到螺旋副上的受力變化曲線，通過積分得到螺旋副間的摩擦力矩，力求使得整個計算更加的精準，使得扭矩控制法的控制精度得以提高。

2 螺紋連接預緊力有限元分析

１、螺紋連接的力學有限元模型的建立：根據螺紋連接的尺寸及特點，利用ANSYS軟件，建立螺紋連接的有限元模型，得到螺紋連接各部分的真實受力情況，并與傳統的計算方法進行比較分析。

２、在螺紋連接的三維幾何模型上按實際情況進行加載，得到螺栓和螺母各部分的應力、應變如下圖所示。         

螺母應力應變圖                       螺栓應力應變圖

３、螺栓的扭矩系數的理論求解與分析：傳統的計算方法中，把螺旋副中螺紋牙的受力等效到中徑上，且將各圈螺牙的受力簡化為相等，本項目則改進上述不足，結合有限元模型中螺栓連接時的實際應力分布情況進行深入分析，使螺栓預緊扭矩系數得到精確處理。對螺紋副上的摩擦扭矩 和螺母環形端面與被連接件摩擦扭矩 的求解，進而得到K的數值解析解：

式中：T——扭矩， N.m； ——螺紋中徑，mm；d ——螺紋公稱直徑，mm；

f ——螺紋副的摩擦系數； ——螺紋副摩擦角（ ）；

α ——螺紋升角，（°）；β ——牙型半角，普通螺紋為30°； ——螺母與墊圈之間的摩擦系數；D——螺母支撐面直徑，mm； ——墊圈孔直徑，mm。

3  螺紋連接預緊力系數的實驗研究

本課題采用扭矩控制法，將理論分析與實驗研究相結合。通過扭矩系數測量裝置測量并采集實驗數據，用線性擬合的方法進行數據處理，求出扭矩系數。將實驗與理想模型所得的實驗數據進行對比分析，得到比較精確預緊扭矩系數K。

１、螺紋預緊扭矩系數測量裝置的研制   本測試裝置在對不同型號的螺栓進行預緊的過程中，通過傳感器采集預緊力和預緊扭矩值，應用數據處理模塊即可得到相應的扭矩系數。本裝置可以快速的測試不同直徑、不同長度的螺栓的扭矩系數，并實時采集施加的預緊扭矩值和預緊力值，與傳統測量方法相比，具有測量精度高，操作方便、安全、穩定，自動化程度較高的特點，具有廣泛的推廣應用前景。

２、扭矩系數測量的實驗操作與數據采集分析  本試驗臺的數據處理方法為：當用扳手施加扭矩后，產生預緊力和扭矩，通過拉力傳感器和扭矩傳感器采集數據，采集的數據通過A/D轉換器轉換后輸入到單片機進行處理，通過編程，單片機利用公式 運算得到扭矩系數，并顯示在微機顯示器上。

３、建立螺栓連接的預緊力—扭矩關系數據庫  根據所求的實驗數據建立相應的數據表格，應用于工程實際，為不同型號的螺栓預緊提供準確可靠的查詢數據庫。

4  結論

1)應用ANSYS分析的螺旋副各圈螺紋的受力狀況比各圈螺紋受力均勻模型計算結果更符合實際、精度更高；

2）根據有限元分析結果，確定了反映螺紋連接預緊力—扭矩關系的扭矩系數；

3）實驗結果表明，由有限元計算結果得出的扭矩系數比傳統模型所得值精度更高。

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