搜索摩擦型高強(qiáng)螺栓長(zhǎng)連接接觸分析
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接鋼板是鋼結(jié)構(gòu)中的常見(jiàn)連接方式。本文采用COSMOS/M軟件針對(duì)高強(qiáng)螺栓連接搭接鋼板模型進(jìn)行了接觸分析,研究拉力在鋼板之間的傳遞規(guī)律。
一、引言
摩擦型高強(qiáng)螺栓是鋼結(jié)構(gòu)中常用的螺栓連接形式。在設(shè)計(jì)中認(rèn)為鋼板之間的拉力完全通過(guò)鋼板之間的接觸摩擦力傳遞,不考慮螺桿受剪或受彎,為此,需要在螺栓上施加一定水平的預(yù)拉力。對(duì)于采用多排螺栓傳遞拉力的鋼板搭接連接,當(dāng)螺栓排數(shù)較多時(shí),螺栓傳力的不平衡性已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但涉及接觸問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算分析目前尚不多見(jiàn),本文嘗試通過(guò)COSMOS有限元軟件分析拉力在鋼板之間的傳遞規(guī)律,希望能對(duì)工程應(yīng)用有所幫助。
二、單螺栓接觸分析
圖1為摩擦型高強(qiáng)螺栓連接搭接鋼板模型,圖2為鋼板螺栓連接模型的網(wǎng)格劃分。對(duì)于只有一個(gè)螺栓的模型,材料實(shí)體部分采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元,接觸單元可采用節(jié)點(diǎn)對(duì)形式也可以采用點(diǎn)面模型單元。整個(gè)模型的單元總數(shù)為9561,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為14593。螺栓預(yù)拉力155kN,板軸向拉力假定沿一側(cè)板端面均勻分布,針對(duì)荷載水平較高的情況進(jìn)行計(jì)算,得到板端極限拉應(yīng)力0.44 MPa。圖3,圖4顯示了模型的Von Mises應(yīng)力、位移的分布情況,從圖中可以看出,對(duì)整塊鋼板而言,只在墊圈及其相鄰區(qū)域很小的范圍內(nèi)的應(yīng)力較大,應(yīng)力水平隨與墊圈和螺栓孔距離增大迅速減小并保持相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)力水平,這正體現(xiàn)了接觸現(xiàn)象的高度局部應(yīng)力性。圖5為法向接觸力在接觸面上的分布情況,從圖中可以看出、法向接觸力主要在墊圈區(qū)域的鋼板接觸面上較高,法向接觸力隨與墊圈區(qū)域距離增大迅速減小;手保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。圖6為摩擦力在接觸面上的分布情況,從圖中可以看出.摩擦力水平同樣主要在墊圈區(qū)域的鋼板接觸面上較高,并集中分布在沿軸線方向(即拉力方向)栓孔一側(cè),摩擦力隨與栓孔距離增大迅速減小并保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。
三、螺栓群(5x2)的接觸分析
如圖7為鋼板螺栓連接模型的網(wǎng)格劃分形式。螺栓形式為5x2,即沿拉力方向5排,垂直拉力方向2列。材料實(shí)體部分采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元,接觸單元可采用節(jié)點(diǎn)對(duì)形式。在螺栓洞Ca區(qū)域細(xì)化了網(wǎng)格,整個(gè)模型的單元總數(shù)為18 569,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為5 461。螺栓預(yù)拉力155 kN,板軸向拉力假定沿一側(cè)板端面均勻分布,針對(duì)荷載水平較高的情況進(jìn)行了計(jì)算,得到板端極限拉應(yīng)力87.5 MPa。
圖8為法向接觸力在接觸面上的分布情況,從圖中可以看出,法向接觸力主要在墊圈區(qū)域的鋼板接觸面上較高,法向接觸力隨與墊圈區(qū)域距離增大迅速減小并保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。圖9為摩擦力在接觸面上的分布情況,從圖中可以看出,摩擦力水平同樣主要在墊圈區(qū)域的鋼板接觸面上較高,并集中分布在洽拉力方向栓孔一側(cè),摩擦力隨與墊圈區(qū)域距離增大迅速減小并保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。
在對(duì)螺栓群的計(jì)算分析過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在多排螺栓中、各排螺栓所傳遞的摩擦力并不是完全相同的在拉力較小時(shí)兩層鋼板之間的變形較小,因此各排螺栓所起的作用相差不大,表現(xiàn)為鋼板表面沿拉力方向的剪應(yīng)力在鋼板上分布較為平均;隨著拉力的增大,鋼板變形相應(yīng)增大,多排螺栓周圍剪應(yīng)力的變化較大,兩端螺栓周圍的剪應(yīng)力較大,說(shuō)明兩端螺栓傳遞的摩擦力較大,中間排螺栓傳遞的摩擦力相應(yīng)減小、表l為上述模型在拉力接近極限拉力時(shí)沿拉力方向五排螺栓周圍最大剪應(yīng)力(沿拉力方向,即摩擦力)的變化規(guī)律,從表中可知,在5排螺栓傳遞端部均布拉力時(shí),兩端螺栓周圍峰值剪應(yīng)力最大,分別為33.3 MPa和27.9 MPa,內(nèi)部螺栓周圍剪應(yīng)力逐漸減小,中間排螺栓周圍剪應(yīng)力峰值為20.7 MPa。最大峰值剪應(yīng)力大約是平均峰值剪應(yīng)力的1.2倍.是單排螺栓最小峰值剪應(yīng)力的1.6倍。
表1對(duì)于5排螺栓傳遞均布拉力時(shí)的拉力傳遞規(guī)律具有一定的代表性,能在一定程度上說(shuō)明較大拉力條件下摩擦力在螺栓之間傳遞的不均勻性,兩端螺栓傳遞的剪應(yīng)力最大,螺栓位置越靠近內(nèi)部,傳遞的摩擦力越小,因此在螺栓設(shè)計(jì)中如果按照各排螺拴平均傳遞摩擦力計(jì)算時(shí),需要預(yù)留一定的安全度以免端部螺栓過(guò)早破壞而導(dǎo)致連接失效和破壞。
考慮到S排螺栓連接等長(zhǎng)連接形式摩擦力分布的不均勻,建議在具體工程中根據(jù)具體連接形式進(jìn)行接觸有限元分析,以保證螺栓連接的安全性。
四、螺栓群(9x3)的接觸分析
如圖11為鋼板螺栓連接模型的網(wǎng)格劃分。螺栓形式為9x3,即沿拉力方向9排,垂直拉力方向3列。實(shí)體材料部分采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元,接觸單元采用節(jié)點(diǎn)對(duì)(Node to Node Gap)形式。在螺栓洞口區(qū)域細(xì)化了網(wǎng)格,整個(gè)模型的單元總數(shù)為15 875,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為5 3720螺栓預(yù)拉力155 kN,板軸向拉力假定沿一側(cè)板端面均勻分布,采用逐步提高板端拉力試算的方法得到板側(cè)極限拉應(yīng)力為82 MPa。
圖12為法向接觸力在接觸面上的分布情況,從圖中可以看出,法向接觸力主要在墊圈區(qū)域的鋼板接觸面上較高,法向接觸力隨與墊圈區(qū)域距離增大迅速減小并保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。圖13為摩擦力在接觸面上的分布情況,從圖中可以看出,摩擦力水平同樣主要在墊圈區(qū)域的鋼板接觸面上較高,并集中分布在栓孔一側(cè),摩擦力隨與墊圈區(qū)域距離增大迅速減小并保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。
在對(duì)(9x3)螺栓群的計(jì)算分析過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)與(5x2)排螺栓群相比,在摩擦力接近承載極限時(shí),端部螺栓所起的作用進(jìn)一步增大,端部螺栓往往最先達(dá)到破壞。表2為上述模型在拉力接近極限拉力時(shí)9排螺栓周圍最大剪應(yīng)力(沿拉力方向,即摩擦力)的變化規(guī)律,從表中可知,在9排螺栓傳遞端部均布拉力時(shí),兩端螺栓周圍峰值剪應(yīng)力最大,分別為20.b MPa和20.0 MPa,內(nèi)部螺栓周圍剪應(yīng)力逐漸減小,中間排螺栓周圍剪應(yīng)力峰值為2.5 MPa。最大峰值剪應(yīng)力大約是平均峰值剪應(yīng)力的2.8倍,是單排螺栓最小峰值剪應(yīng)力8.2倍。從表中還可以看出,除端部螺栓外,內(nèi)部七排螺栓周圍峰值剪應(yīng)力相差不大。在拉力較小時(shí)兩層鋼板之間的變形較小,因此各排螺栓所起的作用相差不大,表現(xiàn)為鋼板表面沿拉力方向的剪應(yīng)力在鋼板上分布較為平均;隨著拉力的增大,鋼板變形相應(yīng)增大,多排螺栓周圍剪應(yīng)力的變化較大,兩端螺栓周圍的剪應(yīng)力較大,說(shuō)明兩端螺栓傳遞的摩擦力較大,中間排螺栓傳遞的摩擦力相應(yīng)減小。
上述分析說(shuō)明長(zhǎng)連接中,兩端螺栓傳遞的剪應(yīng)力最大,螺栓位置約靠近內(nèi)部,傳遞的摩擦力越小,因此在螺栓設(shè)計(jì)中如果按照各排螺栓平均傳遞摩擦力計(jì)算時(shí),需要預(yù)留一定的安全度以免端部螺栓過(guò)早破壞而導(dǎo)致連接失效和破壞。
五、結(jié)論
通過(guò)較多算例對(duì)3排、4排、直至10排螺栓群進(jìn)行了接觸有限元分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于多排螺栓來(lái)說(shuō),螺栓排數(shù)越多,摩擦力傳遞的不平衡性越明顯,這一現(xiàn)象應(yīng)得到足夠重視。算例分析表明,從5排螺拴開(kāi)始,隨螺栓排數(shù)增加,端排螺栓承擔(dān)的摩擦力峰值比所有螺栓平均摩擦力峰值高出20%以上直至數(shù)倍。建議在具體工程中根據(jù)具體連接形式對(duì)5排及5排以上螺栓群連接進(jìn)行接觸有限元分析,以保證螺栓連接的安全性。
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