搜索Ansys螺栓預(yù)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(yù)緊問題而導(dǎo)致的事故層出不窮。預(yù)緊力到底是什么?預(yù)緊力有什么用?是不是預(yù)緊力越大越好?本文就一個(gè)簡單的螺栓預(yù)緊分析和大家就此問題進(jìn)行初探。一來就如何在ansys中設(shè)置螺栓預(yù)緊進(jìn)行說明,二來也是和讀者一起看下在螺栓預(yù)緊作用下機(jī)體的反應(yīng)。(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(yù)緊及其作用
絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)都必須擰緊,使連接在承受工作載荷之前預(yù)先收到力的作用。這個(gè)預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的在于增強(qiáng)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(duì)滑移。經(jīng)驗(yàn)證明,適當(dāng)選用較大的預(yù)緊力對(duì)螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強(qiáng)度都是有利的,特別是對(duì)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(yù)緊更為重要。但過大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致整個(gè)連接的結(jié)構(gòu)尺寸增大,也會(huì)使連接件在裝配或偶然過載時(shí)被拉斷。因此,為了保證連接所需要的預(yù)緊力,又不使螺紋連接件過載,對(duì)重要的螺紋連接,在裝配時(shí)要控制預(yù)緊力。通常規(guī)定,擰緊后螺紋連接件在預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料屈服極限的80%。——《機(jī)械設(shè)計(jì)》
問題描述
上下兩塊薄鋼板左端面固支,兩個(gè)連接螺栓均施加2000N預(yù)緊力。試分析在螺栓預(yù)緊作用下的整體應(yīng)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(gè)零件圖中建立多個(gè)實(shí)體部分)。然后將建立好的模型另存為通用格式導(dǎo)入hm中進(jìn)行前處理。由于模型具有良好的對(duì)稱性,因此可以只取一般模型進(jìn)行分析。并且模型中的每個(gè)部件也具有良好的對(duì)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(duì)上述模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)合一定的鏡像與平移得到總體網(wǎng)格如下
③相關(guān)屬性建立與關(guān)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(duì)應(yīng)的網(wǎng)格即可
④創(chuàng)建接觸
總共需要?jiǎng)?chuàng)建六個(gè)接觸對(duì),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(duì)均采用增廣拉格朗日法,高斯點(diǎn)探測,不自動(dòng)調(diào)整接觸對(duì),每一子步自動(dòng)更新接觸剛度選項(xiàng)。
⑤創(chuàng)建預(yù)緊單元
預(yù)緊力定義使用的是prets179單元,該單元有i、j、k三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,只有一個(gè)平動(dòng)自由度ux。節(jié)點(diǎn)i、j最初是重合的,分別位于施加預(yù)緊力的兩個(gè)表面,k是預(yù)緊節(jié)點(diǎn),用來定義i、j的相對(duì)位移,可以在總體笛卡爾坐標(biāo)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(diǎn),dep選擇上螺栓交界面節(jié)點(diǎn),在一定的容差范圍內(nèi)生成預(yù)緊單元。
然后在1D-bars面板指定所有預(yù)緊單元共用的預(yù)緊節(jié)點(diǎn)(任意孤立節(jié)點(diǎn))
最后在section面板中創(chuàng)建預(yù)緊單元預(yù)緊屬性,主要定義預(yù)緊節(jié)點(diǎn)的預(yù)緊方向,最后定義好預(yù)緊單元并且關(guān)聯(lián)預(yù)緊單元屬性
至此為止有限元模型已經(jīng)建立完畢,包含實(shí)體單元,接觸單元與預(yù)緊單元三個(gè)部分。
⑥預(yù)緊力施加
在analysis面板下的control cards中選擇sload施加預(yù)緊力。
Secid指定要施加預(yù)緊力的預(yù)緊截面編號(hào)
Plnlab預(yù)緊力施加的順序,規(guī)則為pl01~pl99
Kinit預(yù)緊力施加的初始效果,tiny指完全施加預(yù)緊力之前先使用微小的預(yù)緊力載荷以助于收斂
Kfd用于指定預(yù)緊載荷形式,可以為力或者位移
Fdvalue指定預(yù)緊力大小(一半的模型施加一半預(yù)緊即可)
Lsload指定預(yù)緊力施加的載荷步
Lslock指定在哪一個(gè)載荷步鎖定由預(yù)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(gè)平動(dòng)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(diǎn)的z向自由度模擬對(duì)稱約束。然后建立三個(gè)載荷步,前兩個(gè)載荷步用于施加預(yù)緊力,最后一個(gè)載荷步用于施加位移載荷。
⑧求解設(shè)置
⑨后處理
分析結(jié)果可以由ansys讀取,也可以使用hyperview直接讀取rst文件進(jìn)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(yīng)力云圖
加力端支反力時(shí)程曲線
上述結(jié)果很明顯可以看出預(yù)緊力為2000N的時(shí)候,螺栓上的最大應(yīng)力接近400MPa(光順掉應(yīng)力集中部分),在該預(yù)緊作用下理論上可承受拉力為0.3*2*2000=1200N,分析結(jié)果為1175N左右(產(chǎn)生差別的原因可能是多方面的,這里暫時(shí)不探討)。螺栓預(yù)緊力越大,可以承受的拉力載荷越大也即機(jī)體的連接性能越好,但是過大會(huì)導(dǎo)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(shí),事先施加好螺栓預(yù)緊對(duì)分析結(jié)果的影響很大,這點(diǎn)需要注意。
然而,上述分析并沒有直接說明預(yù)緊作用是怎么起作用的,下面我將預(yù)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(yù)緊作用的機(jī)理。
左邊是全部預(yù)緊力施加之后的變形,右端是只施加微小預(yù)緊力的變形?？梢钥匆?左邊施加預(yù)緊力的界面出現(xiàn)了相互貫穿,也即相互拉扯,這正是預(yù)緊單元的作用。預(yù)緊單元通過以一定的力或者相對(duì)位移拉扯施加預(yù)緊力的截面相對(duì)移動(dòng)來模擬螺栓內(nèi)部的拉力實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這是一種無接觸識(shí)別的貫穿,和有接觸識(shí)別的接觸對(duì)偏移模擬過盈配合正好是完全相反的作用機(jī)理,明白了這個(gè)相信大家就知道如何在任意部位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊作用,只要有相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),不管是梁單元,實(shí)體單元還是殼單元都可以方便的模擬預(yù)緊作用。
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