Ansys WorkBench “等強度”螺紋聯接之內錐螺母靜力分析
人們應用普通螺紋聯接時主要考慮螺紋副旋合長度和部分長度的螺紋承受載荷,如果要使螺紋副旋合長度內,全部螺紋承受載荷,需要螺紋副的旋和精度非常高,也會使成本驟漲,于此同時無論是多么高精度的螺紋,都不可避免存在螺旋線誤差和牙型角誤差,不可能使全部螺紋承受載荷。所以需要另辟蹊徑,通過結構設計使得螺紋聯接達到“等強度”的效果。
之前有分析過的錐螺紋聯接,螺栓和螺母上都是有錐度的螺紋,應力集中在前兩圈螺紋上。本次的“等強度”螺紋聯接中螺母是具有錐度的螺紋,而螺栓是普通螺紋。螺栓的下端與內錐螺母的下端(小直徑)旋合在一起,在不受力的情況下,螺母的上端(大直徑)和螺栓的上端是不接觸的,并且從下端到上端間隙逐漸增大;受力后,應力先從下端出現,逐漸延伸到上端。
以下是內錐螺母與普通螺母的螺紋聯接區別,左邊是內錐螺母,截取中間部分螺母和螺栓沒有接觸;而右邊是普通螺母,截取中間部分螺母和螺栓有一側的面是接觸的。
螺紋聯接是復雜曲面,直接導入后打開系統默認無法處理會不予以顯示,需要在導入模型后雙擊Geometry在SCDM中打開生成模型,再雙擊Model進入分析模塊。
模型由三個零件組成,螺栓、內錐螺母(錐度1:100)和墊板。
材料使用默認的結構鋼(Structural Steel)。
螺母與墊板、螺栓與墊板之間的接觸都是有摩擦接觸,接觸面使用系統默認。
點擊A4下Connections > Contacts > Contact Region 1/ Contact Region 2> Definiton > Type:Frictional;Friction Coefficient:0.15。
螺紋聯接需要設置接觸面,系統默認的接觸面過于繁雜,對于內錐螺母來說,只會有一側面受力。
根據內錐螺母的接觸圖選中相應面設置螺紋聯接的接觸。
點擊A4下Connections > Contacts > Contact Region 3>Scope > Contact 和Target選擇相應的面。
Definiton > Type:Frictional;Friction Coefficient:0.15。
下圖中螺栓和螺母同角度看過去,可以看到螺栓上的接觸面(藍色面),而螺母上的接觸面與螺栓接觸面相對,在這個角度無法看到。
設置整體模型的網格尺寸,
右鍵Mesh > Insert > Sizing > 選中所有模型 > Apply;Element Size:1mm。
設置接觸區域的網格尺寸,將其細化,
右鍵Mesh > Insert > Contact Sizing > Contact Region:選擇螺紋聯接區域;Element Size:0.2mm。
設置固定約束,
點擊A5 > Support > Fixed Support > 選中螺母底面 >Apply 。
設置螺栓預緊力Bolt Pretension,
點擊A5 > Load > Bolt Pretension > 將模型剖開選擇螺栓桿的一個半弧面 > Apply > Preload:4000N。
結果查看Z軸上形變、整體等效應力和螺栓等效應力,求解。
查看整體等效應力,不顯示網格,顯示比例1:1。
與普通螺紋聯接的不同,在每圈螺紋上都有應力,雖然在下端幾圈應力有些大,但是比起普通螺紋聯接,更加接近“等強度”。
下圖是使用相同條件求解出的普通螺紋聯接的應力圖,很明顯應力集中在前幾圈。
查看“等強度”螺紋聯接中螺栓的等效應力,在每圈螺紋上都要一些相同顏色的應力區域。
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