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采用ABAQUS模拟螺栓预紧力回弹现象

杨涛林琳陶文辉闫理贵

中国船舶重工集团公司第711研究所上海201108

摘要:大缸径柴油机通过液压拉伸器拧紧螺母时,最终施加到螺柱上的预紧力数值小于设计值,

为了得到两者差值的大小,采用Abaqus软件进行有限元分析,然后通过试验修正有限元模型,

最终得到可靠的结果。

关键词:Abaqus预紧力、回弹、液压拉伸器

1.前言

船用大缸径柴油机一般通过液压拉伸器旋紧重要连接件的螺母,具体过程是:首先将螺柱的

一端旋入机体,然后将螺柱另外一端装上螺母,通过液压拉伸器将螺柱拉长,在螺柱拉伸力达到

设计值后,旋紧螺母;然后,卸掉液压拉伸器油压,在螺柱内部拉伸力的作用下,拉紧螺母,压

紧被连接零件。由于螺母及被连接零件在拉伸器卸掉油压的过程中会产生一定的回弹变形,将释

放部分螺柱拉力,使螺柱最终的预紧力小于设计值。如果将螺柱预紧力设计值与最终值的差值定

义为预紧力的回弹量,为了使螺柱预紧力达到设计值,有必要对螺柱预紧力的回弹量进行研究。

本文采用Abaqus软件进行有限元计算并进行试验测试研究预紧力回弹量的大小。

2.预紧力回弹分析方法

为了研究螺柱预紧力回弹量的大小,以某柴油机现有的主轴承螺柱为研究对象,考虑到试验

测试的方便,采用现有的主轴承盖,并增加一段垫板,使其高度与机体主轴承螺孔高度一致,螺

柱两端与螺母相连,在下端的螺柱通过液压拉伸器施加拉力,模型如图1所示。

首先通过有限元分析模拟液压拉伸器拧紧螺母的过程。将分析过程分为两步:

第一步模拟液压拉伸器拉长螺柱的过程;

第二步模拟卸掉液压拉伸器油压的过程。

通过两个载荷状态螺柱应变差计算得到螺柱预紧力的回弹量。在有限元分析之后,通过液压

拉伸器拧紧螺母试验测量螺柱杆身应变变化,计算得到实测回弹量,通过试验结果对比和修正有

限元计算模型。

图1螺柱连接模型图2有限元模型

3.预紧力回弹有限元分析

3.1有限元模型

由于具有对称性,采用一半模型进行有限元分析,螺纹采用了精确的螺牙模型,在螺柱及螺

母的接触面上划分较细的网格,以保证良好的接触关系,其他接触面也划分相对较细的网格,考

虑到计算规模,对轴承盖非接触面部位划分较粗的网格(如图3所示)。

图3有限元模型

3.2材料属性

各部件的材料属性如下,螺栓及螺母考虑了材料非线性的影响。

表1材料属性

部件名称材料名称弹性模量/GPa泊松比

主轴承盖QT4001650.28

螺栓42CrMo2100.3

螺母42CrMo2100.3

3.3载荷步设置

第一分析步:模拟液压拉伸器施加载荷的过程,在轴承盖及螺栓头部施加方向相反的作用力。

第二分析步:加入施加拉力侧轴承盖与螺母及螺栓与螺母的接触关系,释放作用在螺栓及轴承盖

上的载荷。

3.4边界条件

为实现液压拉伸器对轴承盖及螺栓作用力的模拟,将主轴承盖的受力节点与螺栓孔中心点建

立刚性连接关系,在液压拉伸器与螺栓连接的一端建立螺栓端面节点与其中心点的刚性连接关

系,将液压拉伸器的载荷分解,施加到上面两中心点。

图4载荷边界

约束的施加:在轴承盖剖面施加对称约束(如图5所示),约束轴承盖部分节点X方向的

位移。

第一分析步:施加液压拉伸器载荷时,约束液压拉伸器端螺母的位移;

第二分析步:取消对螺母的约束,使其与螺栓自由接触。

对称约束

Z

YX

图5约束

3.5有限元计算结果分析

3.5.1应力结果分析

第一分析步中施加液压拉伸器载荷,使螺栓被伸长,轴承盖被压缩,下端螺母处于自由状态。

从第二分析步的结果可以看出,螺栓杆身的应力较第一分析步变小。同时可以发现在螺栓及螺母

上,距离轴承盖最近的几个牙上出现了不同程度的塑性变形,随着螺牙远离轴承盖,塑性变形逐

渐变小如图7所示。

第一分析步第二分析步

图6MISES应力

图7第二分析步螺母塑性应变

3.5.2杆身应变分析

将螺柱杆身表面节点沿轴向的应变取出列入表2,通过下面公式可以发现应变与应力成正

比,在单向受力时预紧力与应力成正比,所以螺柱上最终的预紧力较设计值小7.5%,即回弹量

为设计值的7.5%。

[1]

式中σ为应力,ε为应变,E为弹性模量,F为力,S为横截面积

表2计算结果

第一步应变第二步应变回弹应变回弹百分比

0.0034540.0031960.0002587.5%

注:回弹应变=第一步应变?第二步应变,回弹百分比=回弹应变/第一步应变

4.预紧力回弹试验

在螺柱杆身中部布置测点,粘贴应变片,应变片位置如图8所示,应变片的导线通过主轴

承盖的横向螺孔引出,连接到应变仪测量实时应变[1],图9为试验现

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