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螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。其拥有结构简单,拆装方便,调整简单等长处,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。在航空机载环
境下,因为振动冲击的影响,设备常常产生较大的过载,对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。螺栓能否满足强度要求,关系到机载设备的稳固性和安全性。
传统力学的分析方法对螺栓进行强度校核,主若是运用力的分解和平移原理,解力学均衡方程,借助理论和经验公式,理想化和公式化。没有考虑到连接部件整体性、力的传达门路、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。经过有限元法,整体建模,局部细化,可以填充传统力学分析的缺点。,过程更方便,计算
更精确,结果更靠谱。所以,有限元在螺栓强度校核中的应用愈来愈广泛。
有限元模型的建立
对于螺栓的模拟,有多种模拟方法,如多点拘束单元法和梁元法等。
多点拘束单元法(MPC)即采纳特别单元RBE2来模拟螺栓连接。在螺栓连接处,设置此中一节点为从节点(Dependent),别的一个节点为主节点(Independent)。主
从节点之间位移拘束关系使得从节点随从主节点位移变化。比率因子选为1,使从节点和主节点位移变化协调一致,从而模拟实质工作状态下,螺栓对法兰的连接紧固作用。
梁元法模拟即采纳两节点梁单元Beam,其能承受拉伸、剪切、扭转。经过参数设置,使梁元与螺栓几何属性一致。
本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
如图1所示组合装置体,底部拘束。两圆筒连接法兰经过8颗螺栓固定。端面受联合载荷作用。
图1三维几何模型
抽取圆筒壁中性面建模,采纳四节点壳元(shell),设置壳元厚度等于实质壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些,其他可以相对稀少。
在法兰上下两节点之间建立多点拘束单元
(RBE2,算例
1,图
3)或梁元(Beam,
算
例2,图4)来模拟该地址处的螺栓连接。
图3算例1(多点拘束单元法)连接网格
图4算例2(梁元法)连接网格
在圆筒端面中心建立不属于结构模型的参照节点,经过加权均匀拘束单元RBE3,建立端面节点与参照点的主从拘束关系。外加载荷施加在参照点上,而后被均匀分配到端面节点。
这里,对于多个面的网格划分,应当注意在各几何连接面法矢量的一致性。这样划分网格时,才能保证shell单元法矢量的一致性。图2显示了各面的法矢量方向是一致的。
图2面法向量方向图
对于复杂曲面模型,还应当注意连接面接缝处网格协调;网格划分结束,一定用Equivalence合并同样节点。
图5整体模型有限元网格
、界限拘束及载荷
计算中所使用的资料参数以下:
圆筒:E=70GPa,μ=
螺栓:E=184GPa,μ=
底部法兰在8处螺栓处拘束,在独立节点处施加联合载荷。
有限元结果
从图6、图7看出,两种模拟方法,结构整体应力分布相当。
图6算例1(多点拘束单元法)应力云图
图7算例2(梁元法)应力云图
在两算例中,可以在F06结果文件中获取螺栓对应的节点编号和节点载荷。从结果文件可以看出,模拟螺栓的两对应节点载荷大小相等、方向相反。所以,只需
取此中一个节点分析即可。下表1、表2以8个上法兰节点为例,各节点载荷重量即为单个螺栓所受的载荷,载荷单位N。
表1算例1(多点拘束单元法)螺栓连接处节点载荷
表2算例2(梁元法)螺栓连接处节点载荷
由表可以看出,Fy为连接螺栓的轴向载荷,正当表示螺栓受拉,负值表示螺栓受压缩载荷。而实质工作状况下,连接螺栓是不会受压。表中负值的出现,是由构成单元的两节点之间位移拘束特征所决定,这里应当舍负取正。
表1、2中各对应节点Fy值近似相等,Fx和Fz值有所差异。
为了计算方便,以表1(算例1多点拘束单元法)为例,分别采纳螺栓最大拉伸载荷和螺栓最大剪切载荷计算其相关强度,计算结果偏守旧。
螺栓资料1Cr18Ni9Ti,M6
螺栓拉伸载荷:Fy=4194N
螺栓剪切载荷:
螺栓拉伸:
螺栓剪切:
依据第4强度理论:
螺栓节余强度系数:
说明螺栓强度满足要求。
分析与结论
由上分析可知,在有限元分析时,多点拘束单元法和梁元法均可以对装置体中的螺栓进行模拟。细节处的节点载荷有差异,但不影响整体结果正确性。两种方法求得的相应节点载荷可用第四强度理论对螺栓进行校核。
相对来说,多点拘束单元模拟早先不需要知道螺栓直径大小,只关怀螺栓连接地址,操作上要方便;梁元法规需要设置好多相关几何参数,如直径,向量等,在几何外形上与螺栓更为相象,但操作上要复杂一些。
对于机载设备装置体中螺栓连接,均可以做上述近似办理。详尽采纳何种模拟方法,由分析人员依据实质状况而定。