基于ANSYS分析的螺栓组拧紧工艺研究

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螺栓组连接结构广泛存在于机械行业的各个领域。据统计 ，航空发动机上 40% ～50% 的零件为螺钉 ，波音 747上的螺栓数高达 250万个。螺栓组鹏过程中，由于螺栓问相互弹性作用，后拧 紧的螺栓对先鹏的螺栓会造 成干扰，导致螺栓组各螺栓之 间残余预紧力不等，结合面面压分布不均，严重影响螺栓组的连接性能。尤其是对具有密封要求和精密装配的螺栓组连接结构。因此，研究合适的螺栓组拧紧工艺 ，对整个机械行业十分重要。

在螺栓组拧 紧工艺研究方 面，国内外学者做 了大量研究工作 ：在 国外 ，Bibel等通过试验研究了螺栓的弹性相互作用 ，发现法兰垫片螺栓连接中，由于弹性相互作用预紧力会不 同程度 的丢失 ，并通过 构建基于应力的弹性相互作用矩阵 ，来 调节达到要 求的夹紧力所需 的初始 预紧力 ；Fukuoka等 剖采用 仿真分析结合试验研究了不同鹏顺序对弹性相互作用的影响，通过-定的鹏顺序改善了夹紧力分布的均匀性；Nassar等 研究了鹏速度对载荷传递的影响，得出力的施加速度与结合面面压间的关系。

在国内，西安交通大学杨国庆等 运用 ANSYS和弹性相互作用理论 ，构建了初始预紧力和结合面面压分布的关联模 型，进而运用该模型求解满足某汽车发动机密封性 能要求所需 的初 始预紧力 ；西安交通大学陈成军 等 运用有限元模拟螺栓组拧 紧过程 ，构建螺栓组连接弹性相互作用模型，为螺栓组装配连接工艺设计 和性 能预测 提供了参考 ；朱正德 等通过对鹏后设备能力的验证，阐述扭矩鹏控制的实质，提出改善螺栓连接质量的工艺途径。

对于螺栓组鹏工艺的研究 ，学者们对螺栓的拧紧顺序和鹏速度研究较多 ，而对分步鹏对螺栓组鹏效果的研究较少。本文以某型发动机盘式连接螺栓组为研究对象，运用大型有限元仿真软件 ANSYS，收稿日期：2012-11-21；修回日期：2012-12-15基金项目：国家自然科学基金(51075395)作者简介：马跃(1988-)，男，湖北襄阳人，空军lT程大学防空反导学院硕士研究生，研究方向为面向动力学特性的装配工艺方法研究，(E-mail)245539559###qq.com。

· 108· 组合机床与 自动化加工技术 第 6期式中： ÷∑ 1∑ (，1，2，3，4，5，6)可知：当 i分别取 1，2，3，4，5，10，15时，各螺栓残余预紧力标准差分别为 87.58，55.33，27.53，10.47，5.93，1.74，1.72。同理，提取并计算各螺栓半径 8mm内平均应力标准差为 ：3.2421，2.7103，2.2637，1.9986，1.8362，1.5943，1.5388。本文还分析了顺序鹏残余预紧力和接触应力标准差随分步次数的变化规律，通过对比进-步揭示分步加载对螺栓残余预紧力和结合面面压的影响规律 ，如图 12，13所示 。

蠖图 12 残余预 紧力标准差变化图图 13 8ram 内平均接触应力标准差变化图由上图可知 ，对角鹏和顺序拧 紧均遵循 如下规律 ：(1)随着载荷加载分步步数的增加，螺栓间残余预紧力和结合面接触应力标准差降低。

(2)螺栓残余 预紧力和结合面接触应力标准差在 5次分步加载以前减小趋势较大 ，5次分步以后几乎不再变化 ，趋于平稳。

3 某型发动机盘式螺栓组鹏工艺优化3.1 螺栓组鹏优化工艺的提出根据某型发动机盘式螺栓组现有装配要求，满足其正常使用功能须在每个螺栓上加载 28N·m 的力矩。传统拧 紧工艺为 ：按 照图 5所示对角拧 紧顺序，先加载32N·m的力矩，保持 45分钟，完全卸载，再用 28N·m的力矩-次鹏 ，流程如图 14a所示。

在鹏螺母时 ，将 双头螺栓顶端 固定在保持器上 以免发生转动。先加载至 32N·m是为了使螺栓充分拉伸 ，防止螺纹牙错齿、滑丝 ，同时加工硬化增加其连接强度。

由前文研究可知，分步鹏可以降低结合面应力分布标准差。为了改善螺栓组连接性能，使结合面应力分布更加均匀，本文对传统鹏方式提出-种改进的鹏工艺，即对两次加载均采用二次分 步加载，具体方案如图 14b所示。并以仿真计算得到的各螺栓周围8ram范围内的平均接触应力标准差作为衡量指标 ，评判对原有工艺的优化效果。

l。 N 次 怛 N 次I(a原有工艺流程图1载H 补F1勋2喊 弹 l F l l l改进工艺流程图图 14 改进前后工艺流程图3.2 优化工艺与原工艺分析比较由于在 ANSYS中施加的是螺栓预紧力 ，所以须将施加力矩转换为预紧力 ，由公式 ：FT/KD (2)式中： 扭矩 ；- 扭矩系数，本文取0.2331 1o]；D-为螺栓直径，本文取 8mm；计算得28N·m的力矩约为 15000N，32N·m的力矩约为 17500N。

对原有工艺，编写 APDL程序，用 TIME命令设置保持时间，RESTART表示卸载 ，输入 ANSYS中进行运算分析。

在改进工艺中，为了得到最优的-次预加载荷F11，-次预加载荷分别取-组数据 ，补充载荷取定值17500N，在 ANSYS编写程序仿真，提取并计算第-次初始预紧力对接触应力标准差的影响，如图15a所示。

3.23.1型s2.9z-82.72.62.5I-.--对角鹏l、；、，、 h·- h-- X / Y-. -第-次初始预紧力fa第-次预加载荷为变量-对角鹏l、、、、、、-- ：/J --- 、 X：256407 ，- 第-次初始预紧力㈣ 第二次预加载荷为变量图 15 初始预 紧力和接触应 力标 准差 关系图2013年6月 马 跃，等：基于 ANSYS分析的螺栓组鹏工艺研究 ·109·由拟合 曲线可知，当第-次初始预紧力取值6500N时 ，接触应力标准差最校设定保持时间然后卸载。在 ANSYS中进行第二次分步加载，运用相同方法，得到当第二次初始预紧力 F21为5600N时，接触压力标准差最小 ，如图 15b所示 。

由此可 以得到 ，改进后鹏工艺为 ：-次预加载6500N--次补充加载 17500N--保持 45分钟-卸载- 5600N二次预加载-15000N二次补充加载。

提取并计算改进前后螺栓 8mm内平均应力值如表 3所示 。

表 3 改进前后螺栓应力分布 (单位 MP)1 2 3 4 5 6 P传统 23. 78 27.52 30.85 23.35 26.74 22.08 3.2280 工艺优化 25. 67 30.58 29.78 28.36 23.93 27.39 2.4760 工艺由or 值可知，改进后工艺各螺栓周围平均应力标准差由3.2280下降到 2.4760，结合面应力分布更加均匀 ，达到了-定优化效果。

将 力 转 换 回力 矩 ，得 到 优 化 后 拧 紧工 艺 为 ：12.ON·m第-次初始预紧-32N·m第-次补充加载-保持45分钟-卸载-10.3N·In第二次初始预紧-28N·In第二次补充加载。

4 结论运用 ANSYS建 立某型发 动机盘式 连接螺栓 组有限元模型，用 APDL语言编写载荷分步加载程序，模拟载荷分步加载全过程。通过提取的对角鹏和顺序鹏两组分步加载数据表明：(1)分步加载可以使螺栓组各螺栓间残余预紧力相差减小，使结合面应力分布更加均匀，从而提高螺栓组的连接性能。

(2)当分步数小于5时改善效果明显，当分步数超过5时，改善效果不再明显，螺栓残余预紧力和结合面面压趋于稳定，因此，过细的分步是没有必要的，-般取 3～5即可。

(3)根据仿真得到的结论 ，对发动机盘式连接螺栓组现有鹏工艺进行优化 ，通过有限元仿真得到，优化后的拧 紧工艺使各 螺栓之间受力更加均衡 ，结合面应力分布更均匀 ，对装配连接工艺设计具 有-定的指导意义。