ANSYS拉力作用下高強螺栓連接有限元分析

1 螺栓連接構件基本參數1.1 高強度螺栓的預拉力高強度螺栓的預拉力是施加在連接構件上，產生了結構的整體性，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生屈服或斷裂，規范GBJ 17—88規定預拉力設計值按下式確定：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 連接處構件接觸面的處理和抗滑移系數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構結構；對于摩擦型高強螺栓而已，其構件的接觸面（摩擦面）通常經特殊處理，使其凈潔并粗糟，μ以提高其抗滑移系數；對于本論文中抗滑移系數選取為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、幾何和狀態的三重非線性。2.1 單元的選取由于本文螺栓連接構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：空間八節點SOLID45實體單元，預應力單元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，有八個節點，每個節點有三個自由度：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、應力硬化、大變形、大應變的性能。預應力單元Prets179,用于模擬施加在高強螺栓中的預應力狀態；在高強度螺栓連接板中的預加荷載對連接的應力發展過程和連接的承載力有重要的影響。高強度螺栓的預拉力可使用ANSYS中的預拉力單元Prets179來施加。對于本螺栓連接構件中，為了準確模擬兩連接板通過螺栓連接而產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。ANSYS程序自身可以通常調節一些參數自行進行求解分析。2.2 材料模型的設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GB50017-2003的規定鋼材的彈性模量統一取2.06×105Mpa。2.3 模型尺寸及網格劃分模型按下圖1所示；圖一網格劃分的好壞對于計算結果有很大的影響，畸形單元中可能會病態的單元剛度矩陣，從而導致辭計算結果不準確甚至會使計算不收斂。為了保證有限元模型分析的準備性，在劃分網格時為了避免出現畸形單元，建模時采用自底向上建模方法，通過生成關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格劃分。模型中全采用六面體單元的對映網格劃分，從而能得到工整的網格，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格劃分如圖2、3所示。圖二圖三3 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件約束，然后在結構圖示處施加集中力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果。本論文需要的是加載點的力與位移的關系以及有代表性節點的應力與位移的關系。從而得到螺栓的極限承載力。通過對抗拉高強度連接構件的有限元計算，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力分布云圖4。由圖可知，此時最大應力值達到了577.9Mpa,超過了材料的比例強度，結構發生了塑性應變。由應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分開，螺栓桿的應力已經達到其極限強度，有明顯的勁縮現象。高強度螺栓的受拉的受力過程為在外荷載沒有達到預拉之前，連接板在高強度螺栓的預拉力作用下緊緊連接在一起，當外荷載超過預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：圖四圖五圖5-3為螺栓桿的應力變形曲線，由螺栓桿的應力變形曲線可分析出其受力過程。由此結果可以看出，構件的受力由預拉力加載段和外荷載加載段組成，在預拉力階段，螺栓桿受到向下的拉力首先出現負方向的變形（本文所選取的是預拉力面以上的螺栓應力變形圖，因此在加預拉力時，受到向下方向的拉力）。在外荷載階段，外荷載小于預拉力時螺栓桿內應力不變，當外荷載超過預拉力后，應力逐漸增加至屈服應力，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 結論（1）通過建立高強螺栓構件有限元模型并進行受拉分析，可以基本了解此構件的基本受力情況；為了解高強螺栓的結構提供了一定的理論依據。（2）預應力對構件的連接整體性非常重要，一旦預應力被外力抵消，構件便產生較大的變形，因此選擇合適的預應力非常重要。（3）如果本論文在分析建模的過程中，考慮溫度等效應，對實際的構件受力將能得到更好的分析模擬。