基于Ansys Workbench的钢丝螺套接触有限元分析.pdf

l 勺 化 基于An s y s Wo r k b e n c h 的钢丝螺套接触有限元分析 摘 Finit e el em ent anal ysis of w ir e t hr ead inser t cont act based on A NSYS W or kbench 李华 顾强 刘华峰 李兵 L I Hu a GU Qi a n g L I U Hu a f en g L I Bi n g 1 中北大学 机电工程学院 太原 0 3 0 0 5 1 2 中航惠阳航空螺旋桨有限责任公司 保定 0 7 2 1 5 2 要 机械结构中大量结构为减轻重量多采用铝合金材料取代钢材料 但是铝合金在螺纹连接中由于其抗 剪切能力较弱而导致与自身轻质优势相矛盾 本文采用在铝螺纹孔内安装钢丝螺套的方式来保i 应用的安全性能 针对国内缺乏对钢丝螺套接触方面的有限元仿真研究这一问题 本文利用C A T I A 建模 采用 A n s y s Wo r k b e n c h对所建模型进行非线性接触有限元仿真研究 分别得出铝螺纹在钢 丝螺套是的应力以及加完之后的应力 通过应力云图的比较得出采用钢丝螺套的螺纹结构应力要远 小于未加的 即钢丝螺套对铝螺纹牙受力具有较大改善 该分析可以 关键词 钢丝螺套 有限元 接触 A n s y s Wo r k b e n c h 非线性 中圈分类号 T H I 3 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 0 上 一0 0 0 3 0 3 D o i 1 0 3 9 6 9 J I s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 0 上 0 2 0 引言 随着机械工业 的不 断发展 其材料 的轻量 化 要求越来越高 在航空航天产品 u 以及近几年国 家大力发展的高铁技术 2 中铝合金铜合金等轻型 材料 应用越来越广 但在材料轻量化 的同时也 面 临着一个严峻的问题 铝合金或铜合金 等材料其 抗剪切能力相对较差 为考虑其 安全性 能及 拆装 方便又不得不采用螺纹连接 综合上述 问题 采 用钢丝螺套连接 所谓钢 丝螺套 即用菱形截面的 钢 丝绕制成的螺旋 体 株洲 电力机 车厂梁 洪波在 钢 丝螺套在电力机 车上的应用中提 出了三种钢 丝 螺套的连接方式 包括 直接在母材上连 接钢 丝 螺套 对母 材进行局部加强 然 后再 安装钢 丝螺 套 采用螺母座安装钢丝螺套 然而 在钢 丝螺 套的相关报道中大多仅会阐述钢 丝螺套的应用及 其 安装 p 王梅芝在卫 星总装 中钢丝螺套装配工艺 中介绍 了钢丝螺套的结构及安装工艺要求 宋志 伟 4 在 钢 丝螺 套 内螺纹 工具 的设 计 和应 用 中介 绍 了钢 丝螺套 的加工 本文源 自某型产 品在设计 过程 中出现的 问题 由于采用铝合金材料 并且 关键部位螺栓需要承受较大轴 向预 紧力 所以采 用 1 8扣钢丝螺套 但 目前 尚无相关详细数据可 以 参考 本 文利用 C A T I A对 建立 C AD模 型 采用 A n s y s Wo r k b e n c h对其进行非线性仿真 得到其螺 纹的受力分配情况 为工程应用提供了数据参考 1 钢丝螺套设计的三维建模及有限 元仿真 螺纹牙轴 向力 的分配情况和螺纹牙间的变形 协调情况有关 提 高柔度可以改善螺纹牙的受力 分配情况 钢丝螺套可 以提高螺纹 间的柔度 改 善螺纹牙 的受力 螺纹的变形包括螺纹牙 自身弯 曲 剪切 的变形 螺纹牙根倾斜变形 螺纹牙根 剪切变形 和径 向分 力引起 的变形 其 中以螺纹牙 身的剪切 螺纹牙根的剪切和径向分力引起的变 形为主 因为在 A n s y s中计算 螺纹的牙 受力分配需要 提取接触 压力 积分 出接触 力 需要一定 的后处 理时间 考虑到轴对称模型计算 只有 不为零 并且 T 由轴向力提供 所 以在计算初期在螺纹牙 中间布置 了一 系列密 集的节 点 把螺纹牙 当成悬 臂梁 用提取螺纹牙 中间切 向力 比例 的方法得 出 螺纹 的受力分配情 况 这样省去 了许 多后处理 的 时间 但是在校对结果 时 这种方法得 出的受力 分配首扣 螺纹受力 比提取 出来的接触力少 了 1 0 左右 这是轴对称模型和悬臂梁假设之间的差别 最终没有采用这种方法 本 文属于高度非线性 的计算 在保证一定精 度的前提下 为了提高效率采用了 2 D轴对称模型 收糟日期 2 0 1 2 0 3 1 9 作者简介 李华 1 9 8 3 一 女 硕士研究生 研究方向为机电系统设计与分析技术 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 上 3 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 匐 似 力分布如图 4所示 同时本文对 l 4扣钢丝螺套不 同边界条件下螺纹的受力情况进行了分析 如图 5 所示 1 2计算结果 本文采用扩展拉格 朗 日乘子法 允许 的穿透 值设置为 l X 1 0 数量级 在计算过程 中采用了不 同的边界条件 得 出的结 果有细微的差别 1 当 螺纹旋合长度等于基体厚度时 螺纹 各圈受力随 着圈数 的增加 逐步下降 如图 6所示 2 当螺 纹旋 合长度小于基体厚度时 最后几扣的螺纹受 力略 有增加 同时 第一 圈的受 力比例略 有降 低 1 0 左右 3 当约 束外 螺纹边 界 的法 向位 移式 第一圈的受力比例也略有降低 1 0 左右 如图 7 所示 同时 中间各圈螺纹受力有趋于平均的趋势 螺纹旋合长度小于基体厚 度的情况符合大 多数的 工程情况 所 以最后选取了这种情况作为对 比 经过计算得 出了此例 中安装钢 丝螺套 下的螺 纹轴向受力情况 后 几圈螺纹受力增加 的情况是 因为附加弯矩的存在 导致基体弯 曲变形 使后 几圈的螺纹贴合得更紧密 随着钢丝 螺套 圈数 的增 加 螺纹牙 的最大轴 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 i1 l 2 l 3 l 4 图 6 安装不同圈数钢丝螺套的螺纹受力情况 6 8 l 0 1 2 1 4 图7 不同圈数钢丝螺套的第一扣受力情况 向力的比例也有明显下降 外 螺纹 的边界条件对 受力一定影响 所以在螺纹孔布 置较 密集处 应该 组合计算 2 对s t a t i c s t r u c t u r a l 进行分析 根据计算 加入钢丝螺套后螺纹 的轴 向受力 分配情况远好于普通螺纹连接的受力分布 其 中 第一扣螺纹承受 了近 1 5 6 的总载荷 这是 由于 钢丝螺套增加 了连接柔度 提 高了轴向力的传递 效率 所 以会改善 螺纹 牙的轴 向受力分配 情况 并且 由于柔性的增加螺纹的扣数对第一 扣螺纹 的 受力会有一定影响 所以 1 8 扣螺纹钢丝螺套的第 一 扣受力应小于 6扣钢丝螺套的第一扣受力 计 算结果符合结构的受力特点 3 结束语 本 文 采 用 A n s y s Wo r k b e n c h软 件 对 直 径 为 2 4 1 8扣钢丝螺套进行有限元模拟仿真 获得 了其在加入钢丝螺套后的螺纹应力分布 为钢丝螺 套在工程 中的实际应用提供了一定的参考依据 加 入 l 8扣钢丝螺的第一扣螺纹牙受力与 6扣钢丝螺 套的第一扣螺纹牙受力的相比有 1 5 左右的提高 也可作为一些工程中应用其它扣数的钢丝螺套的参 考 国内关于螺纹的有限元仿真大多停 留在螺纹连 接尤其为普通螺纹连接的结构模态分析领域 7 而 本文对钢丝螺套的非线性接触仿真填补 了国内关于 钢丝螺套非线性接触有限元仿真的空 白 参考文献 1 王梅芝 卫星总装中钢丝螺套装配工艺 J 航天器环境 工程I S T I C 2 0 0 8 2 5 6 5 9 8 6 0 0 2 梁洪波 袁顺 钢丝螺套技术在电力机车上的应用f J 电 力机 车与城规车辆 2 0 0 5 2 8 2 3 7 3 8 3 石海明 钢丝螺套的应用及其安装f J 零部件产品与质量 4 宋志伟 钢 丝螺套内螺纹工 具的设计 与应用 J 新工艺 新技术新设备 5 周芝婷 冯建芬 谷春笑 基于A B AQ US 螺栓接头的接触 有限元 J 金陵科技学院学报 2 0 0 8 2 4 4 9 1 2 6 夏卫铭 郑翔 杨晓俊 基于An s y s 的盲孔螺 栓连接的有 限