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管接头拧紧力矩控制研究
王细波丁建春石朝锋
(北京宇航系统工程研究所,北京100076)
摘要:基于有限元分析软件Abaqus/Standard,本文建立弹箭体上一种常用管接
头的数值模型。通过计算分析管接头在4~16N·m拧紧力矩作用下密封带宽度,建
立起拧紧力矩与密封带之间关系,为管接头实际使用过程中拧紧力矩的确认提供
理论依据。
关键词:管接头力矩Abaqus/Standard
1前言
管接头是气体或液体输送系统中的重要部件,广泛应用于航空、航天和交通
工具的动力系统中。管接头将导管、活门、传感器等结构连接起来构成整个输送
系统,并起到防止管路系统中的介质泄漏的作用。通常导管连接过程中,对管接
头均有严格的拧紧力矩要求,明确管接头拧紧力矩,提高产品管路连接质量,是
防止管接头泄漏、确保管路连接质量、提高接头密封可靠性的重要手段。因此,
采用有限元和试验方法对管接头的拧紧过程进行分析有较大的工程意义。
本文基于有限元分析软件Abaqus/Standard,建立对管接头拧紧力矩和密封
带宽度进行有限元计算,得到管接头密封带宽度与拧紧力矩之间的关系。
2数值模型
2.1结构描述
管接头由接管嘴、球头和外套螺母组成,通过外套螺母与接管嘴之间的螺纹
连接将球头与接管嘴紧固,具体见图1。
接管嘴外套螺母
球头
图1管接头
1
2.2材料本构模型
接管嘴、球头、和外套螺母的材料均为1Cr18Ni9Ti。为使计算结果准确,
采用中提供的1Cr18Ni9Ti拉伸、压缩试验结果。试验件材料性能参数如表1所
示。弹性模量197GPa
表11Cr18Ni9Ti力学性能参数
材料名称应力(MPa)122.62052393800
1Cr18Ni9Ti塑性应变%00.0470.254.2
2.3有限元模型
在对管接头密封带宽度进行有限元计算时,对其结构进行了简化处理。由于
计算中主要考虑拧紧力矩对密封带宽度的影响,模型可以忽略外套螺母与接管嘴
之间的螺纹。管接头结构具有轴对称性(外套螺母除外),而外套螺母作为用扳
手施加拧紧力矩设计的,并不承受其它载荷作用,也不是接触变形分析的重点部
位,因此可以将外套螺母也看成是轴对称的。简化后的轴对称的有限元模型,如
图2所示。
外套螺母
接管嘴球头
图2管接头有限元模型
Abaqus软件中的轴对称单元包括三节点线性三角形单元CAX3和4节点双
线性四边形单元CAX4等。本模型中接头结构的各个部件就是主要采用以上两
种单元进行有限元计算。为了较为准确计算管接头密封宽度,球头与接管嘴接触
位置的单元尺寸量级取为0.03mm。同时考虑到有限元计算的速率,其它部位则
取为0.3mm,模型的网格尺寸如图3所示。
2
图3模型网格尺寸
2.4边界条件及载荷
2.4.1位移边界条件
模型主要分析接头拧紧力矩、密封带宽度及预紧力之间的关系。整个静力分
析的过程中接头的外力载荷可以看成是外套螺母上承受预紧力的作用,而使球头
相对接管嘴发生强迫位移。因此在模型中约束接管嘴轴向位移。
2.4.2外力载荷
由于拧紧力矩的作用,使螺栓和被联接件之间产生预紧力
Q。拧紧力矩T
p
等于螺旋副的摩擦力矩T1和螺母环形锥面和被联接件支撑面间的摩擦阻力矩T2
之和,即
T=T+T(1)
12
螺旋副间的摩擦力矩为
d
T=Qλ+φ(2)
12tan()
p
2
式中,d—螺纹中径(mm)
2
λ—螺纹升角(°)
φ—螺旋副的当量摩擦角(°)
fQD3?d3
T00
=p
2D2?d2
θθ
3(sin+fcos)
00
22
(3)
式中,f—摩擦系数取0.2
θ—外套螺母与球头接触面锥角60°
3
D,d—分别为外套螺母与球头接触的环形面的外径(取6.6mm)和内径
00
(取4.5mm)。
将式(2)、(3)代入式(1)得
12f
D?d
33
T=Qdλ+φ+00
[tan()]
p?
222
θθ
23(sincos)Dd
+f
00
22
外套螺母拧紧造成的轴向强迫位移,在实际结构中载荷是施加于螺纹接触面
上的,而螺纹连接处的应力和变形不是本模型中所关注的。因此,在模型中可采
用均匀施加于螺纹接触面沿轴向的拉力,见图4。
载荷
固定约束
图4管接头位移边界条件和载荷
2.4.3接触定义
管接头接触密封涉及到接触问题,需要在有限元模型中进行接触定义。
Abaqus软件具有较强的结构接触分析功能,
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