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在螺紋聯(lián)接中，對于單個標準螺紋緊固件的選型設(shè)計以及規(guī)則布置且受力（矩）對稱的螺栓組設(shè)計，其選型和計算都有明確的規(guī)則，設(shè)計方法較為成熟。但由于結(jié)構(gòu)限制，對于某些場合所選用的非標準螺紋緊固件的設(shè)計、或者對于受力復(fù)雜且非對稱分布的螺栓組中螺栓的設(shè)計，缺乏有效的計算規(guī)則。實際應(yīng)用中，由于設(shè)計不合理導(dǎo)致連接失效而造成重大損失的事故屢有報道。有限元分析技術(shù)的發(fā)展，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算成為可能，其分析結(jié)果真實可靠，成為工程分析的重要手段之一。
在螺栓聯(lián)接方面，傅駿等人對螺栓的不同材質(zhì)進行研究分析，歸正等人對高強度螺栓使用中的長度進行了研究，趙曼等人研究了如何提高螺栓抗拉疲勞性能，李波等人對螺紋三維模型的有限元分析進行了探索。這些研究為探索螺栓聯(lián)接提供了很好的思路，但傳統(tǒng)的設(shè)計方法需要大量的實驗作為依據(jù)，并且很多規(guī)律都是概括性的總結(jié)，對于螺栓螺紋牙各部位應(yīng)力、螺栓內(nèi)部應(yīng)力等情況分析較少。有限元技術(shù)的發(fā)展為定量分析螺紋內(nèi)部應(yīng)力提供了條件。在通常的有限元分析中，一般采用的方法是將螺栓簡化為軸對稱，建立二維有限元模型進行分析，即使是建立三維模型也是忽略了螺紋的細節(jié)部分，在一些特殊的分析情況下，這樣會大大降低分析的精度。本文基于ANSYS workbench模塊，結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計方法，通過三維有限元分析方法研究了螺栓結(jié)構(gòu)、旋合長度以及預(yù)緊力對螺栓強度的影響，并應(yīng)用于工程實例分析中。
本文將某型號自動扶梯驅(qū)動機座所采用的非標準螺栓作為分析對象，經(jīng)現(xiàn)場考察，該螺栓頭采用盲孔攻絲結(jié)構(gòu)的非標準設(shè)計，與螺桿形成可拆式聯(lián)結(jié)，如圖。螺紋采用8.8級M20標準粗牙螺紋，其Ｔ形頭幾何尺寸為：23mm×64mm×15mm，盲孔底部為平面結(jié)構(gòu)，懸合深度為12mm。
對非標結(jié)構(gòu)螺栓頭部分的靜強度加以分析，作為對比，給出了國標T形頭螺栓和另一種改進型螺栓。一般而言，螺栓聯(lián)接的分析重點主要集中在螺紋聯(lián)接處，懸合部位螺桿相對于螺母更薄弱，因此必須充分保證分析中螺紋接觸處的真實準確性。為此，通過在Pro/E中進行精確的三維建模，保證模型符合實際情況。三種螺栓的螺紋均為M20標準粗牙螺紋，除了螺栓T形頭的結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。第一種為分體結(jié)構(gòu)螺栓頭，采用盲孔攻絲設(shè)計，與螺桿形成可拆式聯(lián)結(jié)；第二種為國家標準T形頭螺栓（GB/T37）；第三種是整體鍛造型結(jié)構(gòu)，螺栓頭與螺桿采用一體式設(shè)計。其中第一、三種的建模數(shù)據(jù)均取自實物測繪，第二種三維模型的數(shù)據(jù)取自設(shè)計手冊。
設(shè)定三種螺栓的工作環(huán)境相同：螺栓擰緊在兩塊板上，其中下板厚度14.5mm，下底板為24mm，其中兩塊板都開有一個寬度為22mm的長方型槽。按照上述參數(shù)在Pro/E中完成各模型并裝配后以“*.IGS”格式導(dǎo)入到ANSYS workbench模塊。
有限元分析設(shè)置如下：（1）材料屬性設(shè)置：這里三種螺栓的彈性模量、泊松比、密度等都采用45號鋼的參數(shù)，底板采用16Mn的參數(shù)；（2）網(wǎng)格劃分：盡量對比較規(guī)則的零件采用了六面體網(wǎng)格劃分，對于螺紋、螺桿、螺母等則采用四面體網(wǎng)格；（3）邊界條件：約束下底板的四個側(cè)面，載荷為螺栓預(yù)緊力。通過使用模塊自帶的BoltPretension（預(yù)緊力）模塊可直接施加預(yù)緊力，從而直觀反映螺栓聯(lián)接的應(yīng)力狀況。
螺栓聯(lián)接是通過預(yù)緊而產(chǎn)生接觸面的摩擦力來承受各種工作載荷（如軸向載荷、橫向載荷和傾覆力矩等），螺栓本身主要承受軸向載荷。對于非標準結(jié)構(gòu)的螺栓，應(yīng)研究其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，考察不同結(jié)構(gòu)對其承載能力的影響。應(yīng)用前述有限元模型，對三種結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)結(jié)組件施加相同的預(yù)緊力，大小為32589N（計算得出的螺栓組最小預(yù)緊力）。在設(shè)置完以上各步驟后進行后處理求解，可以得到三種不同結(jié)構(gòu)螺栓的應(yīng)力云圖。
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