搜索Ansys螺栓預緊力(Hypermesh前處理）
2017-03-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
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工程上由于螺栓預緊問題而導致的事故層出不窮。預緊力到底是什么?預緊力有什么用?是不是預緊力越大越好?本文就一個簡單的螺栓預緊分析和大家就此問題進行初探。一來就如何在ansys中設置螺栓預緊進行說明,二來也是和讀者一起看下在螺栓預緊作用下機體的反應。(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先收到力的作用。這個預加作用力稱為預緊力。預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,適當選用較大的預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,預緊更為重要。但過大的預緊力會導致整個連接的結構尺寸增大,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,在裝配時要控制預緊力。通常規(guī)定,擰緊后螺紋連接件在預緊力作用下產(chǎn)生的預緊應力不得超過其材料屈服極限的80%。——《機械設計》
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預緊力。試分析在螺栓預緊作用下的整體應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入hm中進行前處理。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
對上述模型進行網(wǎng)格劃分,結合一定的鏡像與平移得到總體網(wǎng)格如下
③相關屬性建立與關聯(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)建預緊單元
預緊力定義使用的是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,分別位于施加預緊力的兩個表面,k是預緊節(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)生成預緊單元。
然后在1D-bars面板指定所有預緊單元共用的預緊節(jié)點(任意孤立節(jié)點)
最后在section面板中創(chuàng)建預緊單元預緊屬性,主要定義預緊節(jié)點的預緊方向,最后定義好預緊單元并且關聯(lián)預緊單元屬性
至此為止有限元模型已經(jīng)建立完畢,包含實體單元,接觸單元與預緊單元三個部分。
⑥預緊力施加
在analysis面板下的control cards中選擇sload施加預緊力。
Secid指定要施加預緊力的預緊截面編號
Plnlab預緊力施加的順序,規(guī)則為pl01~pl99
Kinit預緊力施加的初始效果,tiny指完全施加預緊力之前先使用微小的預緊力載荷以助于收斂
Kfd用于指定預緊載荷形式,可以為力或者位移
Fdvalue指定預緊力大小(一半的模型施加一半預緊即可)
Lsload指定預緊力施加的載荷步
Lslock指定在哪一個載荷步鎖定由預緊力引起的位移,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緊力,最后一個載荷步用于施加位移載荷。
⑧求解設置
⑨后處理
分析結果可以由ansys讀取,也可以使用hyperview直接讀取rst文件進行后處理,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力云圖
加力端支反力時程曲線
上述結果很明顯可以看出預緊力為2000N的時候,螺栓上的最大應力接近400MPa(光順掉應力集中部分),在該預緊作用下理論上可承受拉力為0.3*2*2000=1200N,分析結果為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,事先施加好螺栓預緊對分析結果的影響很大,這點需要注意。
然而,上述分析并沒有直接說明預緊作用是怎么起作用的,下面我將預緊完以后螺栓1的變形圖放大80倍,以便讀者更清楚地了解到預緊作用的機理。
左邊是全部預緊力施加之后的變形,右端是只施加微小預緊力的變形?？梢钥匆?左邊施加預緊力的界面出現(xiàn)了相互貫穿,也即相互拉扯,這正是預緊單元的作用。預緊單元通過以一定的力或者相對位移拉扯施加預緊力的截面相對移動來模擬螺栓內(nèi)部的拉力實現(xiàn)預緊。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)預緊作用,只要有相對應的節(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緊作用。
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