【《高强螺栓与单向螺栓预拉力对比分析》3800字】

高强螺栓与单向螺栓预拉力对比分析目录TOC\o"1-3"\h\u21196高强螺栓与单向螺栓预拉力对比分析 123891.1引言 1152461.2螺栓预拉力控制 1222261.1.1螺栓拧紧力矩 153561.1.2测量螺栓伸长的方法 3311941.1.3测量螺母转角的方法 3165261.3高强螺栓预拉力分析 3210931.3.1高强螺栓施加螺栓荷载 3224541.3.2高强螺栓施加拧紧力矩 644021.4单向螺栓Hollo-Bolt预拉力分析 71.1引言为了增加螺栓连接的紧密性，在节点受到横向荷载时，防止其产生滑动，螺栓在装配时需要拧紧，这会导致螺栓预先受到了力的作用，这个预加作用称为预拉力。从施工工况来看：适当增加螺栓的预拉力会提高连接节点的可靠性。因此，在进行钢结构的施工，组装高强螺栓时控制螺栓预拉力对螺栓连接节点至关重要，本章采用有限元法与理论公式对比分析高强螺栓预拉力，来研究单向螺栓、进而得出单向螺栓Hollo-Bolt的拧紧力矩、预拉力、套筒变形之间的关系。1.2螺栓预拉力控制1.1.1螺栓拧紧力矩螺栓连接需要夹紧钢结构构件，这需要对高强螺栓施加预拉力，然而在施工过程无法准确知道高强螺栓预拉力的具体数值。控制预拉力通常通过控制装扭矩的方法来实现。因此，需要在理论上找到拧紧力矩与螺栓预拉力之间的关系。现代机械设计手册[43]已推导出此理论公式，如图2-1所示，螺母支承面是内径、外径分别为d0、dw的圆环。由于拧紧力矩T的作用，使螺栓和被连接件之间产生预拉力F。分析可知，螺栓间的摩擦阻力矩T1加上螺栓与被连接件的摩擦阻力矩T2即为拧紧力矩T。 (2-1)螺旋副间的摩擦力矩为： (2-2)螺母与支承面间的摩擦力矩为： (2-3)将式2-3、式2-2代入式2-1，得 (2-4)图2-1螺母的支承面尺寸Figure2-2Nutbearingsurfacedimensions对于M10～M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓，式中d——螺纹大径，螺栓孔径d0≈1.1d，螺母环形支承面的外径dw≈1.5d；d2——螺纹中径，d2=0.9d；λ——螺纹升角，λ=1°42′~3°2′；ρv——螺纹副当量摩擦角，ρv=arctan1.15f(ffc——螺母支承面的摩擦系数，fc=0.15；K——转矩系数，K=故高强螺栓预拉力理论计算公式为 (2-5)将参数代入转矩系数计算公式，得K≈0.2，于是，式2-5可写为 (2-6)1.1.2测量螺栓伸长的方法随着螺母的拧紧，当拧到与被连接件接触并紧贴时，测得螺栓的原始长度为Ls，根据所需的预拉力F0，拧紧后螺栓的伸长量应为 (2-7)式中，Cb为螺栓的刚度系数。1.1.3测量螺母转角的方法通过测量螺母旋转角度得到螺栓预拉力，到预拉力F0时所需的螺母转角θ由下式求得： (2-8)式中，P为螺距。从上式可知，螺栓预拉力与螺栓转角成正比，控制螺栓螺母的转角，也能够实现螺栓预拉力的控制。常规高强螺栓的预拉力计算通常按式2-6进行计算，即，文献[22,44,45]也采用公式2-6计算单向螺栓预拉力，单向螺栓Hollo-Bolt的拧紧力矩T文献[5]已给出，为190N·m。经计算得： 1.3高强螺栓预拉力分析本文详细有限元建模原则及流程见第三章，本章建立高强螺栓简单模型，并将模型预拉力与理论公式进行对比，验证有限元软件ABAQUS的准确性，进而分析单向螺栓Hollo-Bolt预拉力。1.3.1高强螺栓施加螺栓荷载模型建立首先建立高强螺栓模型，并将其与连接件装配，模型图如图2-2所示。（a）钢板连接件（b）高强螺栓图2-2高强螺栓模型图Figure2-2SimplifiedmodeldrawingofHighstrengthbolt材料属性8.8级M16高强螺栓与钢板材料的参数见表2-1，本构关系见图3-4和图3-5。（三）网格划分高强螺栓与刚板连接件网格类型采用C3D8R进行创建，划分网格后并对网格质量进行检查。高强螺栓与钢板连接件网格划分如图2-3所示。表2-1材料参数表Table2-1Materialparameterlist材料质量密度弹性模量泊松比屈服强度(MPa)极限强度(MPa)Q235钢7.85e-92100000.32353758.8级M16高强螺栓7.85e-92100000.3640880（a）钢板连接件（b）高强螺栓图2-3模型网格划分图Figure2-3modelgriddivisiondiagram（四）定义接触对于高强螺栓模型而言，相接触的构件有螺栓头和钢板连接件，螺栓的螺杆与螺母，两个钢板连接件，钢板与螺母，螺杆与螺母为绑定接触tie，其余为表面与表面接触，有限元模拟中定义的摩擦系数为0.125，法向行为选用“硬”接触。（五）荷载在ABAQUS有限元软件中，进入载荷界面，在第一个分析步中有螺栓荷载(BoltLoad)选项，通常使用其来对常规高强螺栓施加预拉力。选用ApplyForce：指定螺栓预拉力，在螺栓螺杆中创建截面，通过在截面指定荷载完成。根据公式2-1计算，190N·m的拧紧力矩为59.375kN，约为59kN，故螺栓预拉力设置为59kN。高强螺栓荷载如图2-4所示。（六）分析步本模拟分为三个分析步：首先创建螺栓载荷，定义刚强螺栓预拉力为10N，使整个模型平稳接触。在第二个分析步中螺栓载荷定义为59kN。在第三个分析步中选择“固定在当前长度”。图2-4高强螺栓荷载图Figure2-4Loaddiagramofhighstrengthbolt（七）结果分析模型计算完成后，通过查看螺栓头与连接件之间接触应力导致的合力CFN2，荷载加载曲线如图2-5所示。图2-5荷载加载图Figure2-5Loaddiagram可见，曲线与分析步中施加的螺栓载荷一致，由此可知，螺栓预拉力即为螺栓头与连接件法向接触力的合力。1.3.2高强螺栓施加拧紧力矩（一）对高强螺栓施加拧紧力矩在1.3.1荷载中，常规高强螺栓需要在ABAQUS有限元软件中的载荷界面中螺栓荷载(BoltLoad)施加预拉力，在第一个分析步中对螺杆截面施加螺栓预拉力，预拉力59kN通过理论公式2-6计算得来，拧紧力矩190N·m并未在有限元软件ABAQUS中体现出来，以上仿真模拟并未在有限元中建立拧紧力矩与高强螺栓预拉力之间的联系。下文通过定义接触与荷载，建立高强螺栓拧紧力矩与预拉力之间的联系。1.接触定义取消高强螺栓螺杆与螺母的绑定接触tie，将螺杆与螺母定义为表面与表面接触，此接触能够创建不带螺纹的实体螺栓模型。在表面与表面接触中选取过盈量，选择计算单线螺栓，选取从表面的过盈区域，拾取螺栓方向矢量，设置螺栓的半线角度、螺距及螺栓直径，从而模拟真实的高强螺栓连接接触状况，既提高效率，也节省时间。在螺杆与螺母表面与表面接触中滑移公式选择小滑移，过盈量的初始空隙中选择计算单线螺栓，选择从表面的过盈区域及螺栓方向矢量，对于M16螺栓，牙角为60°，螺距2mm，螺栓直径为16mm，其余不变。螺杆与螺母相互作用如图2-6所示。1.荷载如图2-7所示，对螺栓头进行耦合约束，将螺栓头耦合至RP-1，螺母耦合至RP-2，将扭矩加载至耦合点上，施加190N·m的拧紧力矩。图2-6相互作用图图2-7拧紧力矩加载图Figure2-6InteractiondiagramFigure2-7Loadingdiagramofassemblytorque（二）结果分析由1.3.1结果分析中的结论可知，螺栓预拉力即为螺栓头与连接件法向接触力的合力。查看螺栓头与连接件的法向接触力，并对比理论公式2-6，如图2-8所示。由曲线可看出，有限元仿真结果与理论计算结果基本一致，验证了有限元软件ABAQUS的准确性，建立了螺栓拧紧力矩与螺栓预拉力的联系，高强螺栓的模拟仿真和理论计算都表明：高强螺栓的拧紧力矩和预拉力基本上是成正比的。对于高强螺栓，如果不考虑螺纹，可以将拧紧力矩转化为预拉力，直接给螺栓施加预紧力载荷，以简化仿真模型。图2-8高强螺栓拧紧力矩预拉力与理论对比图Figure2-7Highstrengthboltassemblytorqueboltloadandtheoreticalcomparisondiagram1.4单向螺栓Hollo-Bolt预拉力分析单向螺栓Hollo-Bolt由于其工作机理为：锥头撑开套筒，套筒挤压连接件螺栓孔内侧孔壁，而达到紧固效果。与高强螺栓紧固连接件并不相同，因此，对高强螺栓与单向螺栓Hollo-Bolt施加相同的拧紧力矩，两者之间产生的螺栓预拉力并不相同。因此不能再通过理论公式2-6计算螺栓预拉力。对于单向螺栓Hollo-Bolt，由于套筒的存在以及工作机理，直接施加螺栓荷载，套筒并无变形，无法挤压螺栓孔壁，达到锁紧连接件的效果，因此不能在螺栓荷载(BoltLoad)施加螺栓预拉力，可以通过本文1.3.2中对螺栓头施加拧紧扭矩进行仿真模拟。（一）模型建立如图2-9所示，建立单向螺栓Hollo-Bolt模型，钢板与1.3.1中相同。（二）材料属性8.8级M16单向螺栓Hollo-Bolt与钢板材料的应力-应变关系见表3-2，曲线采用双线性强化模型，强化阶段斜率取0.02E。图2-8单向螺栓模型图Figure2-8Modeldiagramofblindbolt（三）网格划分单向螺栓Hollo-Bolt各组件网格类型采用C3D8R进行创建，划分网格后并对网格质量进行检查。单向螺栓Hollo-Bolt及各组件网格划分如图2-9所示。单向螺栓螺杆垫圈套筒锥头图2-9单向螺栓及各组件网格划分图Figure2-9Meshdivisiondiagramofblindboltandcomponents单向螺栓Hollo-Bolt的接触定义，与拧紧力矩的施加与高强螺栓相同，具体方法见本章1.3.2。（四）结果分析对单向螺栓Hollo-Bolt施加拧紧力矩，连接形态如图2-10所示，单向螺栓Hollo-Bolt的锥头撑开套筒，套筒挤压连接件螺栓孔内侧孔壁，有限元模拟仿真结果与实际情况基本一致。图2-10单向螺栓连接形态图Figure2-10Shapediagramofblindboltconnection图2-11套筒应力应变云图图2-12套筒变形图Figure2-11SleevestressdiagramFigure2-12Deformationdiagramofsleeve经对比单向螺栓Hollo-Bolt应力云图与实际变形发现，单向螺栓Hollo-Bolt套筒与螺栓孔相交处应力最大，套筒发生明显的塑性变形。如图2-13所示，根据有限元模拟结果，对于单向螺栓，拧紧力矩与螺栓预拉力也成正比，对比高强螺栓，施加相同的拧紧力矩，单向螺栓Hollo-Bolt预拉力远小于高强螺栓，其原因在于单向螺栓Hollo-Bolt有套筒存在，锥头撑开套筒，套筒卡住连接件，从而锁紧连接件，就理论公式而言，对高强螺栓施加190N·m的拧紧力矩，高强螺栓预拉力约为59kN，对单向螺栓Hollo-Bolt施加190N·m的拧紧力矩，单向螺栓Hollo-Bolt预拉力约为26kN，对于单向螺栓Hollo-Bolt，公式2-6中连接副的扭矩系数K可取0.45，即单向螺栓Hollo-Bolt预拉力理论计算公式为：（2-9）图2-13单向螺栓预拉力与拧紧力矩关系曲线Figure2-13Relationcurvebetweenboltloadandassemblytorqueofblindbolt图2-14单向螺栓套筒张角与预拉力关系曲线Figure2-14RelationcurvebetweenblindboltsleeveAngleandboltload单向螺栓Hollo-Bolt套筒张角与锥头角度有关，根据单向螺栓Hollo-Bolt套筒尺寸参数与实际测量可得锥头角度约为11.3°[5]，根据有限元数值模拟结果，可以得到套筒分肢在水平方向的位移，套筒极限张角比