螺栓联接的有限元建模方法研究

对螺栓联接的有限元建模方法进行研究和评估.以螺栓-法兰联接为例,基于有限元分析软件ANSYS,建立了3种螺栓联接的有限元模型,即实体螺栓联接模型、梁单元联接模型和刚性单元联接模型.模态试验和应力分析表明,实体螺栓联接模型和梁单元联接模型具有广泛的适用性,可准确分析螺栓联接结构的静态特性和动态特性.相比实体螺栓联接模型,梁单元联接模型在保留了关键细节的同时提高了建模和计算效率.刚性单元联接模型不能模拟螺栓预紧和接触,只适用于模态分析.试验和仿真均表明,螺栓预紧力的大小对结构模态影响很小.仿真表明,螺栓联接表现出复杂的非线性特性,如应力的非线性变化、法兰之间接触状态的变化、螺栓总拉力的非线性变化等.      

风力发电机塔筒法兰高强度螺栓疲劳强度分析

以风力发电机塔筒法兰高强度螺栓为研究对象,考虑外载对疲劳损伤的影响,建立风力发电机塔筒法兰高强度螺栓疲劳强度分析的方法.首先,以连接截面受力状况作为损伤参量,借助塔筒等效模型确定最大受载截面;其次,采用Schmidt-Neuper算法获得塔筒任意扇面所受外载,并基于有限元模型研究外载与高强度螺栓内应力的关系,建立高强度螺栓疲劳损伤分布模型;最后,考虑预紧力的影响,对比研究不同螺栓预紧力疲劳累积损伤值,确定最优螺栓预紧力.结果表明,整圈法兰螺栓疲劳累积损伤最大位置为-4.17°和175.87°,预紧力比例为70%时螺栓预紧力最为合适.     

大口径法兰瞬态工况正交试验

采用有限元分析方法结合正交试验研究了法兰的压力、口径、螺栓预紧载荷等参数对大口径法兰密封性能的影响.对有限元正交试验数据,通过多元回归得到缠绕垫片应力与螺栓预紧力、法兰压力、法兰温度和缠绕垫片回弹模量之间的关系式.研究表明,螺栓预紧力和法兰压力对缠绕垫片应力的影响是高度显著的,法兰温度和缠绕垫片回弹模量的影响是显著的.     

螺栓预紧力对输电杆塔强度的影响

针对实际线路段,利用ABAQUS软件建立塔线耦合体系有限元模型,数值模拟该塔线体系在典型荷载作用下的应力和变形.根据现场倒塔情况,建立杆塔破坏局部区域三维实体模型,并与其它部分杆梁模型连接得到杆塔整体有限元模型.三维局部区域模型考虑了螺栓和连接板之间的连接细节、螺栓预紧力、螺杆和螺孔之间的间隙等.进而数值模拟研究螺栓预紧力大小对螺栓的滑移和杆塔构件应力的影响.结果表明,过小的预紧力会导致螺栓产生明显滑移,增大螺栓和杆塔构件的应力,因而螺栓预紧力不足可能是导致杆塔破坏的主要原因之一.     

拧紧工艺的螺栓连接结构预紧力变化规律

针对航空发动机装配过程中螺栓预紧力一致性差的问题，建立螺栓连接转子有限元模型，获得螺栓在顺序拧紧和星形拧紧时预紧力的衰减规律和分布特点.进行螺栓预紧力实验研究，分析了拧紧顺序及拧紧速度对螺栓预紧力的影响，并揭示了预紧力随时间的衰减机理.结果表明：拧紧相邻螺栓会使预紧力大幅衰减；提高拧紧速度会使螺栓获得较大预紧力，使得连接结构更加稳定；螺栓拧紧后预紧力会在短时间内大幅衰减，衰减规律与扭矩幅值息息相关.因此，在发动机装配中，严格控制螺栓拧紧工艺的同时，预紧力短时间内的衰减不可忽视.     

预紧力与非线性作用的螺栓结合部动力学特性

为研究预紧力对螺栓结合部动力学特性的影响,该文选择一种双螺栓结合部试件作为研究对象,通过理论推导利用集中参数法在试件一阶模态处建立了单自由度简化模型;通过模态实验获得了不同螺栓预紧力下结构一阶动力学特性的变化情况;在激振实验的基础上,利用力状态映射法对结合部在不同预紧力下非线性等效动力学参数进行了辨识。结果表明:结合部非线性会随预紧力降低而增强。在预紧力较低时,对结合部进行准确动力学建模需要考虑非线性因素的影响。     

横向载荷与预紧力对螺栓断裂寿命的影响

螺栓连接依靠自身简单可靠的特点被广泛应用于各个行业,然而螺栓的疲劳断裂却是一个非常突出的问题.因此,为准确预测螺栓断裂失效寿命,进行了螺栓材料的疲劳裂纹扩展实验,求得了螺栓材料的断裂参数,从而建立了Paris裂纹扩展模型.然后运用有限元方法与疲劳裂纹扩展实验进行对标,并取得较好的效果,为螺栓断裂失效寿命的计算奠定了基础.最后,考虑到螺栓预紧力与横向载荷对螺栓断裂的影响,建立了带裂纹的螺栓有限元模型,并采用有限元方法进行螺栓失效寿命计算的定量分析.结果表明：横向载荷与螺栓预紧力对应力强度因子和螺栓使用寿命具有较大的影响.     

不均匀预紧对螺栓法兰垫片接头密封性能的影响

测量了柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的非线性压缩-回弹曲线,建立了螺栓法兰垫片接头整体结构有限元模型,采用泄漏率来表征其密封性能,分析了螺栓不均匀预紧对接头密封性能的影响。结果表明：个别螺栓欠预紧会导致密封泄漏率增加;欠预紧程度越大,欠预紧螺栓数目越多,螺栓间越互相靠近,则泄漏率越大,且泄漏位置出现在欠预紧螺栓区域;个别螺栓超预紧时,泄漏率不降反略有增加,泄漏位置出现在超预紧螺栓对侧区域。     

大型挂载起吊系统特种螺栓强度分析

通过建立挂载起吊系统力学模型,并采用有限元分析方法对系统进行计算,得出特种螺栓应力分布以及系统各部件之间接触面积关系。分析结果表明螺栓强度满足使用要求,螺栓预紧力对螺栓强度影响较大,圆筒重力载荷对螺栓强度影响较小,但螺栓存在严重的偏载现象。此外,对挂载螺栓进行分组起吊实验,观察各组螺栓的变形情况。结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好。     

法兰设计方法及预紧力的确定

选取9对工作压力为1.0～6.5 MPa、工作温度为400℃的标准带颈对焊管法兰,分别运用EN13445附录G法兰设计的另一方法与Waters方法计算螺栓预紧力,运用ANSYS有限元软件对其进行模拟,分析法兰接头的应力分布和应变,研究这两种计算方法在指导法兰接头螺栓安装时,法兰强度以及密封性的可靠程度和方法的可行性.结果表明:EN13445附录G计算确定的螺栓预紧力能保证该种法兰接头在该温度、压力范围内的强度与密封性,可用于指导该种法兰螺栓的安装;Waters计算确定的螺栓预紧力在较高工作压力时会导致垫片应力过大,可能会压溃垫片,建议在工程实际中该种法兰螺栓在该温度、压力范围内安装时谨慎使用Waters螺栓预紧力.     

随机风作用下同塔四回输电杆塔安全性分析

针对蒙西地区220kV同塔四回路典型输电线路段,采用有限元方法模拟研究杆塔在随机风作用下的结构强度和疲劳寿命。利用ABAQUS有限元软件建立塔线耦合体系有限元模型,考虑蒙西地区地形特点,采用数值方法模拟生成随机风场,计算塔线体系的动力响应。根据计算结果确定杆塔的危险区域,建立该局部三维实体有限元模型,并与其他部分的杆梁模型组合为实体与杆梁混合模型。提取塔线体系在随机风作用下导地线挂点的支反力时程曲线,模拟实体与杆梁混合模型的动力响应。模拟研究了两种风速和不同螺栓预紧力情况下杆塔结构强度,并分析了随机风激励下杆塔的疲劳寿命。结果表明,螺栓的松弛对杆塔强度和疲劳寿命影响明显,可能是引起杆塔破坏的主要原因。     

螺栓结合部静态迟滞行为分析及刚度和阻尼辨识

获得螺栓结合部的静态迟滞行为并开展刚度、阻尼辨识,对于螺栓结合部设计以及装配工艺制定十分重要.利用三维有限元模型预测螺栓结合部迟滞特性,并给出了螺栓联接接触参数的设置方法.针对获得的迟滞曲线,采用最小二乘多项式拟合推导确定了结合部刚度及阻尼参数的辨识公式.以一个简单的螺栓搭接梁为对象进行了实例研究,试验证明了该搭接梁有限元模型及获得的迟滞曲线的合理性,利用获得的迟滞曲线辨识了该螺栓结合部的时变刚度、平均刚度和损耗因子等参数.研究表明:随着预紧力的增加,螺栓结合部的刚度增加而损耗因子(阻尼参数)减小.     

干涉配合对飞机机翼螺栓连接结构力学性能的影响

为了研究干涉量对螺栓连接结构力学性能的影响,以航空工程中常用的飞机机翼螺栓干涉连接结构模型为研究对象,采用了基于试验验证的有限元分析方法,通过试验验证了所建立的螺栓连接结构三维弹塑性有限元分析模型的可靠性,在此基础上建立了6种不同干涉量下飞机机翼螺栓连接结构的参数分析模型,系统地分析不同干涉量对螺栓连接结构孔边应力分布...     

固定管板式热交换器应力分析

 管壳式热交换器因其可靠性高、适用性广泛成为很多工业部门中应用最广的热交换器。常规设计采用GB 151—1999《管壳式换热器》中当量等效近似方法,该当量等效力学模型和实际结构存在较大差异,尤其对于大型高参数热交换器,若无法应用常规设计方法,必须进行分析设计。有限元方法是最常见的分析设计方法。本文应用ANSYS通用有限元软件,对某实验台用热交换器建立了有限元模型,模型分别采用实体单元和梁、壳单元对固定管板式热交换器的壳体、管板和换热管所构成的固定连接结构进行了应力分析研究,以及温度载荷和压力载荷同时作用下的有限元分析。在实验台上进行与有限元分析中引用载荷相同的温度和压力载荷进行实验,并将实验结果与有限元分析结果进行比较,研究表明采用梁、壳单元或实体单元均能获得较精确的结果。考虑到热交换器的建模难度、工程精度需求和计算时间,对于大型高参数热交换器有限元分析采用梁、壳单元进行模拟,既可保证计算精度,又可降低建模难度,是切实可行的处理方法。     

螺栓连接纵向安装边机匣的有限元分析与优化

针对航空发动机螺栓连接纵向安装边机匣的结构特点,运用有限元优化设计方法,建立了螺栓连接纵向安装边机匣的有限元计算模型,利用有限元软件进行了应力分析与模态分析,获得了螺栓连接纵向安装边机匣的最大等效应力和前4阶固有频率以及相应的振型,并对纵向安装边的几何参数进行了应力灵敏度分析和动态特性灵敏度分析。在此基础之上,确定了纵向安装边主要设计参数的变化对结构最大等效应力和低阶固有频率的影响规律。通过修改设计参数对螺栓连接纵向安装边机匣结构进行优化,提高了结构强度和动态性能,为螺栓连接带纵向安装边机匣设计提供了依据。     

偏载作用下半刚性螺栓节点的修正计算方法

为了获取偏压荷载作用下螺栓节点的理论简化和计算方法,对螺栓连接的梁式反力系统进行了静载试验、理论计算和有限元分析。通过理论计算和有限元分析,对反力梁不规则变截面进行截面等效简化,提出了钢结构反力梁的结构组合系数,能够快速准确的计算不规则变截面梁的惯性矩。基于此,采用试验和理论计算,解决了螺栓节点的理论简化和计算方法问题。结果表明：在理论计算中,将螺栓节点简化为固定支座,引入修正系数,对理论结果进行修正,能够很好的反映出反力梁的实际挠度变形,其修正系数可为后续螺栓连接的设计者提供参考。     

CSZ系列紧凑型铁塔动力特性研究

以500 kV超高压线路中紧凑型直线输电铁塔CSZ1、CSZ2为对象,利用有限元分析软件AN-SYS,按空间梁杆混合结构方法建立有限元模型.计算分析了该系列输电铁塔的动力特性,并研究、归纳其各阶振型的特点.根据CSZ铁塔的动力特性,修正了工程上常用的第一自振周期近似公式.     

组合桥面板U肋螺栓接头疲劳受力性能

针对组合桥面板受力特点,采用一种宽口U肋,设计制作了1个足尺试件,通过疲劳加载试验检验U肋螺栓接头的受力性能,并通过有限元模型对接头受力进行了分析。试验结果显示,开裂源于母板栓孔边缘并最终裂透至手孔。有限元分析表明,母板的头排栓孔附近,距孔边缘约1/3孔径处应力集中明显,集中系数约为2.5;手孔形状、拼接板厚度及栓孔大小对母板栓孔应力集中影响很小;相较8 mm厚U肋的组合板或常规钢桥面板,该组合板的接头母板栓孔受力要大许多,但其疲劳强度也满足规范要求。     

实测模态下三跨整体桥精细化基准有限元模型

以一座新建的整体式桥台桥梁(简称整体桥)为工程背景,建立服务于健康监测的精细化基准动力有限元模型.将设计阶段基于梁格法建立的全桥三维模型与采用梁-壳单元的精细化模型作为初始有限元模型,把环境激励下获取的实测模态信息(自振频率与振型)作为参照,基于参数灵敏度分析修正了上述两种结构模型.结果表明：尽管两种模型修正后都可以获得与实测模态尤其是频率值较好的吻合度,但修正后的梁格模型的模型参数严重偏离其真实的物理意义,难以作为长期监测的基准模型;而修正后的精细化梁-壳单元模型的模型参数物理意义明确,可以作为计入环境因素影响(如温度、湿度等)的结构长期监测的基准模型.该研究还基于动力试验和模型分析结果讨论了整体桥特有的结构-土相互作用的问题.