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        旋轉力矩下螺栓內力的有限元分析

        發布于:2023-07-06 20:07
        有限元分析

              在有限元分析文獻等現行各種機械類手冊中,對于作用在結合面上的旋轉力矩作用下的摩擦型高強螺栓組連接結構,設定各螺栓的預緊力均等,給出計算公式為式中P0是螺栓中的軸向預緊力,N;T 是旋轉力矩,N·m;Kf是可靠性系數,通常。.1~1.3;μ是連接摩擦副的摩擦因素;r1,r2,…,rn是各螺栓距離旋轉中心的距離,m;n是螺栓個數。
              一般,摩擦型高強螺栓是指承受軸向拉力的螺栓,其外直徑不大于被連接件的螺孔直徑,被連接件之間的橫向力通過相互接觸表面之間的正壓力產生的摩擦力傳遞。
              分析式(1)可知其來歷是:首先假設“旋轉力矩作用下,若摩擦型高強螺栓組中各螺栓預緊力相等,則相應的被連接件結合面摩擦力也相等”,即文獻所說“在連接的滑動載荷時,每一個單獨的緊固件達到最大滑動阻力”;然后就可求出與螺栓組中第i(i=1,2,…,n)顆螺栓對應的被連接件結合面之間的摩擦力為Fi=μP0,該摩擦力對螺栓組旋轉中心的力矩就為Ti=Firi=μP0ri;再后就可求出整個被連接件結合面上的摩擦力對旋轉中心的力矩為T=μP0(r1+r2+…+rn);最后對該力矩適當放大,即乘以大于1的可靠性系數Kf,再令其與外加旋轉力矩T 相等,就得到公式。顯然這樣的假設實際上也就是假設兩被連接件結合面發生且正在發生相對滑動,而這種情況恰恰是文獻明確禁止的,即這些手冊類文獻都要求“被連接件不能有相對滑動”。
              摩擦型高強螺栓連接是以板層之間出現滑動為承載力的極限狀態,在外力小于極限承載力時的正常承載狀態,摩擦力與彼此接觸的結合面的相對變形或變形趨勢相關,而相對變形或變形趨勢又與接觸位置距離螺栓組旋轉中心的距離相關,因此,盡管各螺栓預緊力相同,但與任意第i(i=1,2,…,n)顆螺栓對應的結合面摩擦力Fi也應與螺栓位置ri相關,嚴格來說不應都為μP0。因而上述“摩擦力相等”假設是有一定局限性的。針對這一問題,直接相關的國內、外研究文獻很少。其中,文獻針對傳統做法中不論受力大小的螺栓都選擇同樣規格而導致不經濟性的問題,簡單討論了鉸制孔螺栓組在橫向力和旋轉力矩共同作用下的不等間距螺栓排列問題和摩擦型高強螺栓組在軸向力和翻轉力矩共同作用下的不等間距螺栓排列問題。
              文獻采用有限元方法模擬,研究了承受軸心剪力的高強螺栓連接的性能,得到了在橫向外力增大過程中各螺栓中剪力的不均勻性及其變化情況和軸向拉力的變化情況等結果。文獻假設所有螺栓繞一個瞬時轉動中心轉動,考慮各個螺栓的線性或非線性行為,對螺栓組的力平衡條件進行迭代,求解出了連接結構的瞬時轉動中心和極限強度。文獻基于螺栓要發生彈塑性變形但螺栓組只產生剛體運動的假設,開發了求解面內偏心載荷即橫向力和旋轉力矩共同作用下螺栓組非線性變形的計算方法,計算了這種載荷作用下螺栓組的全程非線性響應,包括載荷-滑移行為,指出作用在各螺栓上的內力依賴于螺栓組的瞬時轉動中心。文獻等眾多文獻則仍然是在上述假設下討論橫向力和旋轉力矩及其復合載荷下螺栓組中的螺栓內力求解.總的來說,到目前為止,還沒有計及螺栓組變形的關于旋轉力矩作用下摩擦型高強螺栓組中螺栓內力不均勻性及其相應設計方法的研究。本文通過有限元數值模擬,對該問題進行研究,給出了相應的研究結果。



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