螺栓连接是机械设计中比较常见的一种连接固定方式,为了保证连接的可靠性,需要通过拧紧螺栓的方式施加必要的预紧力来防止螺纹松脱,本文通过一个简单的实例来计算螺栓的预紧力,以及模拟螺栓连接受到预紧力时的应力应变情况。 一、建立CAD模型 在CAD中建立以下螺栓连接模型,钢板在中间,螺栓和螺母上下锁死。螺纹规格为M10 x 1.5,为了简化,没有对螺纹进行建模: 二、校验最大预紧力和锁紧扭力 根据以下公式校验螺栓能够承受的最大预紧力: 安全系数取1.5,结构钢屈服应力为250MPa,螺纹大径为10mm可以得到最大预应力为 P = 0.67*(250x3.14/4*100)=13,155KN 根据以下公式计算该螺栓可以承受的最大扭力: T = 0.2*0.01*13155 = 26.3Nm. 三、设立边界条件 1)将模型导入Ansys workbech, 将三个零件的材料设为结构钢。 2)接触面设置: a. 将螺栓和钢板的接触设置为“Friction”,摩擦系数设为0.15。 b. 将螺母和钢板的接触设置为“Friction”,摩擦系数设为0.15。 c. 将螺栓和螺母的螺纹连接设置为'Bonded', 接触行为设为非对称“Asymmetric”,打开修剪接触,将公差设为1mm: 3)预紧力设置: 首先设置预紧力施加的位置,需要先建立一个坐标系,这里选择钢板上下面作为参考面,生成的坐标系会坐落在钢板的中间平面。然后选择螺栓body,选择刚建立的坐标系,设置预紧力大小为5KN。注意预紧力那两个箭头要跟螺栓的中心轴方向一致,箭头所指的位置就是预紧力作用的位置。 预紧力作用的位置 4)网格设置 基础网格大小设为2.5mm,追加接触面网格细化(0.5mm)和螺栓细化(1.5mm)。 5)约束设置:将钢板四周面设为固定面。 四、求解器设置和结果 求解步骤需要设为两步 在预紧力中将第一步设为Load 5KN, 第二步设为Lock 整体形变,注意到最大变形发生在预紧力施加的位置: 整体应力分布: 螺栓应力分布,最大应力在根部: 安全系数分布: 变形动画,可以看到螺栓和螺母在锁紧扭力的作用下相对移动,这个与实际操作相符。 |
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