搜索拉力作用下高強(qiáng)螺栓連接的ansys模擬
2017-03-30 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
采用大型有限元分析軟件ANSYS,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的受力分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析,得出了該構(gòu)件的受力分布圖,從理論上對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接的破壞形式和受力變化進(jìn)行了分析研究,為進(jìn)一步改進(jìn)高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)件的受力狀況和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了必要的理論依據(jù)。
鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接具有施工簡(jiǎn)單、耐疲勞、可拆換、連接的整體性和剛度較好等優(yōu)點(diǎn),是鋼結(jié)構(gòu)中所廣泛采用的一種連接方式。因此有必要對(duì)其具體受力進(jìn)行分析研究,本論文利用有限元軟件ansys模擬了一高強(qiáng)度螺栓構(gòu)件在受拉力作用之下的應(yīng)力狀況。
高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力是施加在連接構(gòu)件上,產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的整體性,通常來(lái)講希望能盡量高些,但為了保證螺栓不會(huì)在擰僅過(guò)程中發(fā)生屈服或斷裂,規(guī)范GBJ 17—88規(guī)定預(yù)拉力設(shè)計(jì)值按下式確定:
(1-1)
其中fy是鋼材的條件屈服強(qiáng)度;Ae為螺栓在螺紋處的有效截面面積。
高強(qiáng)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(qiáng)螺栓結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu);對(duì)于摩擦型高強(qiáng)螺栓而已,其構(gòu)件的接觸面(摩擦面)通常經(jīng)特殊處理,使其凈潔并粗糟,以提高其抗滑移系數(shù)μ;對(duì)于本論文中抗滑移系數(shù)選取為0.4。
主要目的是通過(guò)ANSYS的3D實(shí)體建模,分析高強(qiáng)度螺栓抗拉在高溫下的工作性能以及溫度對(duì)高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的極限承載力的影響。建模過(guò)程中利用ANSYS的Pre-tension功能,施加高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力,利用接觸單元來(lái)考慮螺栓和孔壁的接觸與分開(kāi)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(qiáng)度螺栓在抗拉狀態(tài)下的受力分析,考慮了其強(qiáng)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(guò)程中包含了材料、幾何和狀態(tài)的三重非線性。
由于本文螺栓連接構(gòu)件分析中采用的是細(xì)化的實(shí)體有限元模型,因此選取了如下幾種單元:空間八節(jié)點(diǎn)SOLID45實(shí)體單元,預(yù)應(yīng)力單元Prets179,目標(biāo)單元Targe170和接觸單元Contact174單元。SOLID45單元被用于三維的實(shí)體模型,有八個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)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(yīng)力硬化、大變形、大應(yīng)變的性能。預(yù)應(yīng)力單元Prets179,用于模擬施加在高強(qiáng)螺栓中的預(yù)應(yīng)力狀態(tài);在高強(qiáng)度螺栓連接板中的預(yù)加荷載對(duì)連接的應(yīng)力發(fā)展過(guò)程和連接的承載力有重要的影響。高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力可使用ANSYS中的預(yù)拉力單元Prets179來(lái)施加。
對(duì)于本螺栓連接構(gòu)件中,為了準(zhǔn)確模擬兩連接板通過(guò)螺栓連接而產(chǎn)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(wèn)題是一種高度非線性行為,本論文選取目標(biāo)單元targe170和接觸單元Conta174來(lái)模擬這一接觸狀態(tài)。
ANSYS程序自身可以通常調(diào)節(jié)一些參數(shù)自行進(jìn)行求解分析。
高強(qiáng)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(hào)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(jí)的高螺度螺栓,都按20MnTiB的材料選取,常溫時(shí)的屈服強(qiáng)度為660Mpa,根據(jù)GB50017-2003的規(guī)定鋼材的彈性模量統(tǒng)一取2.06×105Mpa,
模型按下圖1所示;
圖一
網(wǎng)格劃分的好壞對(duì)于計(jì)算結(jié)果有很大的影響,畸形單元中可能會(huì)有病態(tài)的單元?jiǎng)偠染仃?從而導(dǎo)致辭計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確甚至?xí)褂?jì)算不收斂。為了保證有限元模型分析的準(zhǔn)備性,在劃分網(wǎng)格時(shí)為了避免出現(xiàn)畸形單元,建模時(shí)采用自底向上建模方法,通過(guò)生成關(guān)建點(diǎn)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(wǎng)格劃分。模型中全采用六面體單元的對(duì)映網(wǎng)格劃分,從而能得到工整的網(wǎng)格,以加強(qiáng)問(wèn)問(wèn)題的收斂性和計(jì)算精度,本文的抗剪模型和抗拉模型的網(wǎng)格劃分如圖2、3所示。
圖2
圖3
高強(qiáng)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(gòu)件約束,然后在結(jié)構(gòu)圖示處施加集中力P,其中P為初始外力,大小為175KN;通過(guò)ANSYS程序的求解,可以用ANSYS通用后處理(POST1)來(lái)觀察和分析有限元的計(jì)算結(jié)果。
本論文需要的是加載點(diǎn)的力與位移的關(guān)系以及有代表性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力與位移的關(guān)系。從而得到螺栓的極限承載力。
通過(guò)對(duì)抗拉高強(qiáng)度連接構(gòu)件的有限元計(jì)算,可各處有限元模型在常溫下達(dá)到極限承載力時(shí)的變形圖和應(yīng)力分布云圖4。由圖可知,此時(shí)最大應(yīng)力值達(dá)到了577.9Mpa,超過(guò)了材料的比例強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性應(yīng)變。由應(yīng)力分布云圖可以得出抗拉高強(qiáng)度螺栓連接在達(dá)到極限承載力時(shí)連接板已經(jīng)分開(kāi),螺栓桿的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到其極限強(qiáng)度,有明顯的勁縮現(xiàn)象。高強(qiáng)度螺栓的受拉的受力過(guò)程為在外荷載沒(méi)有達(dá)到預(yù)拉之前,連接板在高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力作用下緊緊連接在一起,當(dāng)外荷載超過(guò)預(yù)拉力時(shí)連接板就開(kāi)始分開(kāi),直到達(dá)到極限承載力時(shí);板和螺栓桿的變形如圖4所示:
圖4
圖5
圖5-3為螺栓桿的應(yīng)力變形曲線,由螺栓桿的應(yīng)力變形曲線可分析出其受力過(guò)程。由此結(jié)果可以看出,構(gòu)件的受力由預(yù)拉力加載段和外荷載加載段組成,在預(yù)拉力階段,螺栓桿受到向下的拉力首先出現(xiàn)負(fù)方向的變形(本文所選取的是預(yù)拉力面以上的螺栓應(yīng)力變形圖,因此在加預(yù)拉力時(shí),受到向下方向的拉力)。在外荷載階段,外荷載小于預(yù)拉力時(shí)螺栓桿內(nèi)應(yīng)力不變,當(dāng)外荷載超過(guò)預(yù)拉力后,應(yīng)力逐漸增加至屈服應(yīng)力,再進(jìn)入強(qiáng)化階段,最后達(dá)到鋼材的強(qiáng)度時(shí)破壞。如圖4所示抗拉高強(qiáng)度螺栓已經(jīng)破壞,此時(shí)的外荷載的大小即可近視為高強(qiáng)度螺抗拉連接的極限承力。
(1)通過(guò)建立高強(qiáng)螺栓構(gòu)件有限元模型并進(jìn)行受拉分析,可以基本了解此構(gòu)件的基本受 力情況;為了解高強(qiáng)螺栓的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù)。
(2)預(yù)應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的連接整體性非常重要,一旦預(yù)應(yīng)力被外力抵消,構(gòu)件便產(chǎn)生較大的變形,因此選擇合適的預(yù)應(yīng)力非常重要。
(3)如果本論文在分析建模的過(guò)程中,考慮溫度等效應(yīng),對(duì)實(shí)際的構(gòu)件受力將能得到更好的分析模擬。
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