一、螺栓(螺钉)预紧力计算
螺栓帽或螺母的预紧力矩为 T=Kd* F0 ( N•mm)式中,d——螺纹公称直径(mm)F0——预紧力(N) K——拧紧力矩系数(无量纲)
拧紧力矩系数K值表
摩擦表面状态 | K 值 | |
有润滑 | 无润滑 | |
精加工表面 | 0.10 | 0.12 |
一般加工表面 | 0.13~0.15 | 0.18~0.21 |
表面氧化 | 0.20 | 0.24 |
镀锌 | 0.18 | 0.22 |
干燥加工表面 | —— | 0.26~0.30 |
螺栓的预紧力为
碳素钢螺栓 F0 =(0.6~0.7)σs As (N)
合金钢螺栓 F0 =(0.5~0.6)σs As (N)
式中,σs ——螺栓材料的屈服强度 (MPa)
As ——螺栓公称应力截面积 (mm2)
而,As=(π/4)*((d2+d3)/2)2
式中,d2 ——外螺纹中径(mm)
d3 ——螺纹的计算直径,d3=d1-H/6 ,其中H为螺纹原始三角形高度(mm)
d1 ——外螺纹小径(mm)
二、有限元分析
1)建立有限元模型
模型采用M2螺栓,M2螺栓的应力截面积为2.07 mm2,对于普通碳素结构钢材料,如SWRCH10,性能等级按3.6,则其公称屈服强度σs =180Mpa,预紧力为F0 =0.6*180*2.07=224N,而预紧力矩则为 T=0.22*(2/1000)*224=0.1 N•m
本算例利用Abaqus CAE创建有限元分析模型,模型中的6个螺栓连接点,分别采用5种类型的连接方式,支架下端约束6向自由度,由于动力性分析项目居多,这里以模态分析的结果作为目标进行对比分析。
2)模型类型及分析结果
1、One KCoup
采用单个控制点的KCoup耦合约束,属于最简单的耦合约束。
优点:前处理耗时最短,计算时间也相对最少。
模态分析结果:
2、KCoup+Beam+KCoup(或MPC+Beam+MPC)
采用两个控制点的KCoup(或MPC)耦合约束,两控制点之间创建Beam刚性连接器。
优点:前处理耗时比较短,计算时间也相对较少。
模态分析结果:
分析结果和One KCoup约束一致。
3、KCoup+B31+KCoup
采用两个控制点的KCoup耦合约束,两控制点之间创建B31单元,即梁单元,单元截面直径为2mm,选择螺栓材料,使B31单元的尺寸、刚度与3D螺栓相似,同时也弥补了螺栓质量的损失。
缺点:前处理耗时较多,计算时间也相对也长。
模态分析结果:
4、KCoup+ B31+ KCoup+预紧力
该约束类型是在KCoup+B31+KCoup基础上,创建了预紧力分析步和面接触对,并在B31单元上加载了224N预紧力。
缺点:前处理比KCoup+B31+KCoup更耗时,计算时间相比也增加。
模态分析结果:
5、3D螺栓+预紧力
创建3D螺栓模型,尺寸为M2,施加预紧力224N,需要创建预紧力分析步和面接触对,该模型最接近螺栓接触约束真实模型(螺纹模型细节仿真除外)。
缺点:前处理耗时最长,计算时间也相对最多。
优点:仿真结果最接近真实模型。
模态分析结果:
3)结果数据对比分析
三、结论
综合5种螺栓连接约束模型的分析结果,有如下结论:
1) 如果模型中螺栓/钉连接处较多,且螺栓/钉相对模型尺寸比较小(M2左右),采用One KCoup类型;
2) 如果模型中螺栓/钉连接处较少,且螺栓/钉相对模型尺寸比较大,螺栓质量在动力性分析中不可忽略时,则采用KCoup+B31+ KCoup类型;
3) 如果模型中螺栓/钉连接处较多,且螺栓/钉质量不可忽略时,则可调整模型零部件的密度,弥补螺栓质量损失,同时采用One KCoup或KCoup+Beam+ KCoup类型创建连接;
4) 在模拟单个或几个螺栓/钉的连接情况,且需要关注螺栓连接细节时,则采用3D螺栓+预紧力类型。
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