作者信息

趙文龍1,付建建2,劉 根3,唐 茂4,潘勇軍4,王囡囡3

(1.河南省緊固件連接技術(shù)重點實驗室;2.河南航天精工制造有限公司;3.山東建筑大學(xué) 機電工程學(xué)院;4.重慶大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院）

摘要

為探究某航天工程應(yīng)用中沉頭螺釘?shù)臄嗔咽袨?開展了對沉頭螺釘?shù)膭恿W(xué)分析與參數(shù)化研究。通過SolidWorks建立了沉頭螺釘?shù)娜S模型,并導(dǎo)入ANSYS Workbench和HyperWorks兩類有限元分析軟件中,分析并驗證了不同網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格大小和約束位置對沉頭螺釘最大應(yīng)力的影響程度?；谟邢拊治鼋Y(jié)果,在ANSYS Workbench中研究了十字槽深度、同軸度、沉頭角度和圓角半徑對沉頭螺釘最大應(yīng)力的影響規(guī)律及各參數(shù)的靈敏度。研究結(jié)果表明：采用兩類有限元分析軟件得到的應(yīng)力結(jié)果基本一致,僅相差0.1%。采用ANSYS Workbench時的計算效率更高,沉頭螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力位置發(fā)生在頭桿結(jié)合處的過渡圓角處,與實際斷裂位置完全一致;相比十字槽深度、沉頭角度和圓角半徑,同軸度參數(shù)對最大應(yīng)力的影響更明顯。該分析結(jié)果可為工程技術(shù)人員預(yù)判沉頭斷裂影響因素及優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供重要參考。

關(guān)鍵詞

沉頭螺釘;靜力學(xué)分析;參數(shù)化;靈敏度

三維模型的建立

圖1為M4×10的高強度沉頭螺釘在航空應(yīng)用中頭部斷裂失效樣件。本文以該型號螺栓為研究對象,參考標準HB1—206—2002《十字槽90°沉頭螺釘》,在保證其材料特性符合標準前提條件下,分別采用ANSYS Workbench和HyperWorks兩種有限元軟件,分析該類型沉頭螺釘在最小破壞拉力作用下的應(yīng)力分布情況,互相驗證分析結(jié)果的準確性,給工程技術(shù)人員提供螺栓分析參考依據(jù)。對航空應(yīng)用中的沉頭螺釘而言,其加工制造過程中,十字槽深度J、同軸度H、沉頭螺釘角度β和圓角半徑R是非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),如圖2所示。

根據(jù)標準HB1—206—2002在SolidWorks軟件分別建立M4×10十字槽90°沉頭螺釘三維模型,如圖2所示,其中十字槽幾何尺寸參考標準HB7369—2002。建模過程中,各幾何尺寸以標準中的基本尺寸為原則構(gòu)建模型。由于沉頭螺釘在使用過程中發(fā)生斷裂的部位主要集中在頭部和螺桿之間的過渡位置處,因此,不考慮螺桿部分的螺紋的影響,以光桿代替。

圖1 M4×10高強度沉頭螺釘

圖2 M4十字槽90°沉頭螺釘

結(jié)論

針對航空工程實際應(yīng)用中發(fā)生斷裂行為的M4×90°十字槽沉頭螺釘為研究對象,分別應(yīng)用ANSYS Workbench和HyperWorks兩類有限元分析軟件對其進行瞬態(tài)動力學(xué)分析,得到以下結(jié)果：

1) 采取不同網(wǎng)格劃分方式情況下,沉頭螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力均高于屈服強度,低于極限強度,因此沉頭螺釘在破壞載荷作用下均發(fā)生了彈塑性變形。采用相同網(wǎng)格尺寸,而網(wǎng)格大小不一致時,當(dāng)網(wǎng)格尺寸到達一定范圍時,對沉頭螺釘最大應(yīng)力的影響很小。ANSYS Workbench有限元軟件相比HyperWorks更高效,且兩者的最大應(yīng)力結(jié)果差值僅為0.1%。

2) 不同約束條件對沉頭螺釘最大應(yīng)力結(jié)果基本沒有影響。這與沉頭螺釘螺桿部位的實際受力情況一致。

3) 通過研究十字槽深、同軸度、沉頭角度和圓角半徑4個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大應(yīng)力的影響規(guī)律,可知十字槽深和同軸度與最大應(yīng)力呈現(xiàn)非線性關(guān)系,且同軸度參數(shù)的影響更為顯著,最大應(yīng)力部位均發(fā)生在沉頭根部圓角過渡R處。而沉頭角度和圓角半徑與最大應(yīng)力基本呈線性關(guān)系。該分析結(jié)果為工程技術(shù)人員預(yù)判沉頭斷裂影響因素及優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了重要的參考依據(jù)。

引用格式

趙文龍,付建建,劉根,等.基于ANSYS Workbench和HyperWorks的航空沉頭螺釘動力學(xué)分析與參數(shù)化研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2023,37(6)：168-177.

ZHAO Wenlong,FU Jianjian,LIU Gen,et al.Dynamic analysis and parametric design of aerospace countersunk screws based on ANSYS Workbench and HyperWorks[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2023,37(6)：168-177.

部分圖表