[发明专利]一种螺栓连接结构松动有限元仿真方法

说明书

本发明公开了一种螺栓连接结构松动有限元仿真方法，具有如下步骤：建立模型；将模型导入ABAQUS中；定义所述模型中各零件的材料截面属性；设置三个显式动态分析步；在Interaction模块中设置模型中各零件间的接触关系；将模型中连接件之间的轴向接触力CFN3作为夹紧力输出；设置耦合约束；定义边界条件；施加载荷；提取模型中连接件之间夹紧力的变化。本发以接近实际工况的加载方式，施加载荷，以保证计算结果的准确性，可以简便的得到连接件间预紧力随时间的变化曲线，计算结果准确度较高。

技术领域

本发明涉及一种横向激励下螺栓连接结构松动有限元仿真方法，更具体地说，涉及一种螺栓连接结构松动有限元仿真方法。

背景技术

螺纹联接广泛存在于各类机械结构中，是最常用的紧固手段之一。振动环境中工作的螺纹联接结构会出现夹紧力的持续下降，即螺栓松动，成为重大安全隐患，尤其是横向(与螺栓轴线垂直的方向)振动载荷是导致螺纹连接结构松动最主要的原因。当受到横向(与螺栓轴线垂直的方向)振动载荷时，随着振动力增大、螺栓副间的摩擦系数减小，破坏了螺纹自锁条件而有微量的相对滑动，导致螺母自动回转松动。在某些极端情况下，横向载荷的松脱可以导致螺栓预紧力降低30％-40％。因此研究螺纹连接结构在承受横向交变载荷的情况下的松脱规律，对于工程实际具有重要意义。

螺栓连接结构预紧力松弛情况可分为拧紧后不受外力时的自松弛和外力作用下的预紧力松动情况。在不受外力作用下的自松弛阶段，螺栓会由于螺栓杆部扭转变形、螺纹牙底的塑性变形等原因导致预紧力的下降；在外力作用阶段初期，螺栓连接结构预紧力会由于外力单次大循环和材料的棘轮效应，导致的螺纹牙底塑性变形，而产生较大的下降，而后进入相对稳定的状态，预紧力保持稳定，最后由于螺栓材料的疲劳失效，导致螺栓疲劳断裂或螺牙断裂脱落，预紧力消失，螺栓连接结构失效。因此，在分析螺栓松动规律时，应分阶段讨论预紧力在不同阶段下的松动影响因素。

目前，针对横向激励下螺栓连接结构松动有限元方法，要么在施加螺栓初始预紧力时，采用降温法或截面预紧力施加法，没有考虑实际的拧紧过程，要么在拧紧后没有螺栓自松弛过程。降温法或截面预紧力施加法在螺栓初始预紧力静强度分析中，得到了很好的效果。但对于具有螺旋升角的螺纹连接结构在承受横向交变载荷下的松动情况来说，并不能反映螺栓的弹性扭转变形，而螺纹拧紧过程中导致的螺栓扭转弹性变形是影响螺栓连接结构横向振动初期松动的重要原因之一，因此，实际的拧紧过程和螺栓结构的自松弛，应考虑在有限元仿真方法之中。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种螺栓连接结构松动有限元仿真方法。本发明以更加贴近实际的转角法施加预紧力，以保证计算结果更加准确。同时，本发明可以简便的提取连接件之间的预紧力随时间的变化情况。本发明采用的技术手段如下：

一种螺栓连接结构松动有限元仿真方法，所述螺栓连接结构包括螺母、螺栓、上连接板和下连接板，具有如下步骤：

S1、利用HYPERMESH参数化建模建立的带有螺纹升角的螺栓连接结构各零件的六面体网格有限元模型，保证模型准确性；

S2、将所述模型导入ABAQUS中；

S3、定义所述模型中各零件的材料截面属性(Section)，赋予所述模型的材料特征，本发明设置了所述模型的塑性材料参数，考虑了材料的塑性变形；

S4、设置三个显式动态(Dynamic Explicit)分析步：Step-1、Step-2和Step-3，并分别设置分析时间；

其中，Step-1为转角法螺栓拧紧分析步，Step-2为撤销约束后螺栓自松弛分析步，Step-3为施加横向位移载荷分析步；

S5、在Interaction模块中设置所述模型中各零件间的接触关系：使用罚函数接触算法(Penalty contact method)，能更好的模拟接触面之间的切向运动，设置通用接触(General contact)；