导读
作者：杜洪奎 (中国计量学院安全工程研究所, 浙江杭州310018)
来源：《压缩机技术》2006年第5期
摘要：应用接触有限元方法对螺栓联接结构进行模拟分析, 详细计算了螺纹联接第一牙根处应力应
变值, 得出不同预紧力下的疲劳寿命, 依据预紧力-寿命曲线可以指导生产实际, 求得最佳预紧力。依螺栓联接变形图, 从理论上定性分析了疲劳寿命随预紧力的变化关系, 结果表明理论分析与有限元
分析的结论是一致的。
1 引言
某石化企业大型氢气压缩机, 箱体与中体的连接螺栓经常发生断裂, 给生产与安全带来很大影响。有限元分析及实验研究表明, 预紧力的大小对螺栓疲劳寿命影响很大, 找到最佳预紧力, 可以最大限度延长螺栓疲劳寿命。
螺纹紧固件是很普通的零件, 但它的形状复杂, 而且, 螺旋副的接触和润滑状态更是难以预测和控制, 由于其几何参数、表面质量、润滑状态等的可变性, 导致了预紧力的离散性。即使在同一天, 由同一操作者, 用同一工具, 以同样的扳拧力矩去拧同样材料、经同样处理、同一批生产的紧固件, 每个紧固件的预紧力却是不一样的。J .H .Bickford[ 1] 统计了大量的试验数据, 认为预紧力基本呈正态分布。正是由于螺栓预紧力的离散性, 导致了螺栓疲劳寿命的离散性, 用户的生产实际也证明了这一点[ 2] , 有的螺栓寿命只有15 天, 有的螺栓寿命可达半年。
对螺栓预紧力特性进行研究, 不仅具有理论意义, 而且对生产实际具有指导意义。
2 螺栓联接结构的有限元模型、加载及结果
如图1 所示联接结构为某压缩机螺栓联接结构示意图, 结构内部具有螺栓预紧力σp (指螺栓光杆内的平均应力)。
已知螺栓联接结构受σp 和工作载荷F (或ΔPmax或ΔP min) (已换算成应力形式)的作用, 方向均为轴向。将螺栓、螺母连成一体, 并简化为回转体结构(与实际结构相似), 取部分箱体、部分中体法兰均为回转体。在有限元建模时, 整个螺栓联接结构即可建为轴对称结构, 如图2 所示。
在内外螺纹牙间, 中体上、下面均为接触面, 力的传递依靠面与面相互作用, 因此必须采用接触有限元算法。
给定预紧力σp , 采用温度加载方法[ 3] 模拟出σp 的大小, 然后再在螺母下端面施加工作载荷F=54.25 MPa 。材料属性应用25Cr2MoV 标准循环应力应变数据;单元类型采用plane82 , 为8 节点高阶平面单元, 有较高的计算精度。螺栓的牙根网格划分如图3 所示, 可见第一接触牙根处网格划分很密集, 足以保证其计算精度。
螺栓的有限元计算结果如图4 所示, 在螺栓与箱体连接的第一牙根处存在最大应力应变值, 裂纹应首先在此萌生, 这与螺栓的实际断裂情况是相符合的。螺栓正是在(σp +F)(1 状态)及σp (2 状态)两种交变作用效应下疲劳断裂的。
3 预紧力-寿命曲线(σp -N)
取不同的预紧力σp =0 、39.7 、66.2 、83.3 、102.3 、136.8 、152.2 、172.8 、198.5 MPa , 在同一工作载荷F =54.25 MPa 作用下, 分别进行有限元计算, 可得1 、2 两种状态Trasca 等效应变之差值
Δεint =εint1 -εint2
及1 、2 两种状态Trasca 等效应力之均值
σintm = (σint1 +σint2)/2
根据25C r2MoV 钢光滑疲劳试样应变-寿命回归方程[ 2]
代入每组数据分别进行寿命计算, 计算结果如表1 所示。
以N 、σp 为坐标绘图得预紧力-寿命关系曲线图(σp -N), 如图5 所示。
由σp -N 曲线可以看出:预紧力过小, 寿命短;预紧力大寿命渐长。预紧力σp =152.2 ～172.8 MPa 为峰值寿命区。可见对用户现有螺栓预紧力适当提高至σp =172.8 MPa 附近, 可延长其使用寿命。
4 预紧力———寿命曲线(σp -N) 形状的理论分析
由螺栓联接件变形图(图6)可以看出, 对于同一工作载荷F , 对于较小的预紧力σp1 <σp2 , 则有应力波动Δσ1 >Δσ2 , 预紧力愈小, 则应力波动愈大, 寿命愈短;对于较大的预紧力σp3 <σp4 , 在同一工作载荷F 作用下, 此时应力波动Δσ3 =Δσ4 。由于影响疲劳寿命主要因素为Δσ, 故其寿命偏差不大。又由于Δσ3 =Δσ4 <Δσ2 <Δσ1 , 所以高预紧力(σp3 、σp4)情况下的寿命要长于低预紧力(σp1 、σp2)情况下的寿命。这些情况与有限元计算结果都是一致的, 这就从理论上更好地说明了这一现象。
5 结论
(1)对螺栓联接结构有限元模型、加载及结果进行了详尽的分析, 指出螺栓联接第一牙根处是断裂源;
(2)得出了预紧力———寿命曲线(σp -N ), 通过该曲线可以求出最佳预紧力, 对生产实际具有指导意义。在最佳预紧力下, 螺栓疲劳寿命最长;
(3)利用螺栓联接结构变形图对σp -N 曲线进行了理论分析, 其结论与有限元结果是一致的。
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参考文献:
[ 1] 卜炎.螺纹联接设计与计算[ M] .北京:高等教育出版社,1995 .
[ 2] 杜洪奎.氢气压缩机螺栓疲劳寿命预测及可靠性研究[ D] . 南京工业大学硕士学位论文, 2004 .
[ 3] 易日.使用ANSYS 6.0 进行静力学分析[ M] .北京:北京大学出版社, 2002 .
