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螺栓聯接是廣泛應用于各種機械設備的一種聯接形式，它具有聯接可靠性高、聯接強度高、可拆卸、能自鎖等優(yōu)點。當前結構設計朝著大型化、高精度、更高的可靠性方向發(fā)展，對于核心部件的聯接，其強度分析至關重要，螺栓聯接一旦出現問題，將直接關系到整個設備運行的穩(wěn)定性和安全性。因此，開展對特種螺栓強度研究，實現結構系統整體匹配設計已經成為重要課題。目前關于螺栓聯結的研究主要集中在單個螺栓的強度分析、疲勞設計、可靠性等方面，而把螺栓系統當成一個整體進行研究，涉及較少研究表明把螺栓置于一個系統進行分析，其工作載荷不僅有軸向方向的載荷，而且附帶產生的復雜彎曲應力會削弱螺栓的疲勞強度，螺栓上彎曲應力的大小與螺栓自身的幾何形狀，特別是與螺栓上的預緊力有關。通過建立大型掛載起吊系統力學模型，采用有限元分析方法對系統進行接觸分析計算，重點分析特種螺栓的強度以及部件之間接觸面積，研究螺栓應力分布規(guī)律，為掛載起吊系統特種螺栓聯接的正確設計提供實用的參考數據。
大型掛載起吊系統中的螺栓采用特種螺栓聯接，由上下抱箍、上下螺栓、上下螺母、連接螺套組成(內圈有螺紋與螺桿外螺紋配合)。圓柱通過2個專用對位裝置和起吊橫梁對接，并通過2個圓弧卡環(huán)卡住圓柱重物，抱箍用圓柱銷栓接到起吊橫梁板上，螺栓聯結上下抱箍，整個系統不會發(fā)生轉動，如圖所示。表為掛載起吊系統的部分結構尺寸，其中螺栓為特種螺栓：危險截面最小直徑21mm，與螺套接觸處直徑為36mm，與螺母接觸處直徑為45mm，螺栓總長度270mm。
在工作過程中，掛載起吊系統只承受圓柱重力載荷，螺栓受到預緊力產生的軸向拉力和圓筒重力產生的彎曲力矩，是一個護扭合成的受力情況。聯接中螺栓、螺母、抱箍、圓筒相互作用，且螺栓的擰緊過程受到端面摩擦及螺紋副摩擦狀態(tài)的影響，掛載M為系統質量矩陣，c為系統阻尼矩陣，K為系統剛度矩陣，F為外激勵力向量，x為系統加速度、速度、位移向量。
根據實際使用情況得知，掛載起吊系統螺栓可斷面為應力最大區(qū)域，存在著局部應力集中的現象。在有限元分析ABAQUS軟件中，可斷面區(qū)域采用二次完全積分單元模擬應力集中現象，非可斷區(qū)域采用線性減縮積分單元模擬。螺栓、抱箍部件劃分較密網格，圓筒為不關心區(qū)域，劃分較稀網格，并處理成剛體。利用軟件中的meshing模塊采用結構化和掃掠方法，生成八節(jié)點六面體實體單元，共劃分為67684個單元，82625個節(jié)點掛載起吊系統在實際安裝中用圓柱銷將抱箍與起吊橫梁板栓接在一起，故抱箍約束定義為可繞圓柱銷軸心線轉動，其他自由度約束，提升裝置中，圓筒有專門的定位裝置，故圓筒約束定義為垂直方向自由，其他自由度約束，抱箍與圓筒、螺栓與墊圈、墊圈與抱箍相互之間定義成接觸，螺栓與螺母、螺栓與螺套的螺紋連接處理成束縛連接，圓筒定義重力載荷，螺栓定義螺栓預緊力載荷，如圖所示，其中Z軸為沿圓柱重物軸向方向，X軸為橫截面(垂直于Z軸)水平方向，Y軸為橫截面豎直方向。
采用ABAQUS有限元分析軟件對掛載起吊系統進行靜態(tài)接觸分析與仿真。模型圓筒質量4.5t，螺栓預緊力150Nm，彈性模量E為206000MPa，摩擦系數0.15，屈服極限685MPa。仿真過程分為3個載荷步進行(對應總仿真時間為3.5s)，其中第1個載荷步定義為微小螺栓預緊力，平衡建立接觸關系，第2個載荷步定義螺栓載荷，第3個載荷步定義重力載荷。通過分析得到系統應力分布，如圖所示。掛載起吊系統等效應力為301.6MPa，位于螺栓可斷截面處，靠近圓筒側，如圖所示。沿著螺栓可斷截面處取圓周路徑，繪制等效應力曲線，曲線呈雙波峰狀，波峰區(qū)域為靠近圓筒側，螺栓承受的壓應力以及遠離圓筒側的拉應力分別為301.6，122.4MPa，整個可斷截平面等效應力分布呈嚴重的偏載現象，如圖所示。選取螺栓可斷截面最大應力節(jié)點，研究螺栓在加載情況下的各種應力大小情況，如圖所示。由圖可知，螺栓最大主應力為335.9MPa，等效應力顯示為301.6MPa，最小主應力為5.4MPa，3個截平面方向剪切應力分別為27.3.34.3.42.8MPa。由載荷施加條件知，1-2s為螺栓預緊力施加階段，螺栓等效應力為264.4MPa，2.0-3.5s為在螺栓預緊力作用下重力施加載荷步，螺栓等效應力為301.6MPa。分析得知重力對螺栓應力影響較小，其增長幅度為14.07，故螺栓應力主要與預緊力有關，預緊力越大，螺栓等效應力增加越明顯，重力對螺栓的影響主要為偏載現象，圓筒重力載荷產生附加彎矩使螺栓彎曲，產生少量彎曲應力。通過分析系統各部件之間接觸面積(總面積為801.1m2)，研究螺栓應力截面偏載現象，得出各接觸面偏載情況，如表所示。通過上述分析，考慮螺栓聯接結構系統的接觸特性和預緊特性，得到特種螺栓聯接情況下的應力分布情況，反映了螺栓聯接中可斷截面的應力水平以及結構接合面在工作載荷下的真實狀態(tài)。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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