2 承受预紧力和工作载荷的紧螺栓的理论强度校核
承受预紧力和工作载荷的紧螺栓，螺栓所受到的总拉力并不是预 紧力跟工作拉力之和，而等于残余预紧力 和工作拉力 之和。而残余 预紧力与预紧力又存在如下关系：
式中：
——螺栓的相对刚度。
整理后可得螺栓的总拉力为 :
（1）
（2） 物理模型描述：采用性能等级 4.6 级的 M6 普通螺栓，采用金属 垫片对两连接件进行连接，假定预紧力 F0=5000N，所受的工作拉力 F=1000N，试校核螺栓的强度。 在上述物理模型的描述中可得，螺栓的相对刚度可取 0.2 ～ 0.3， 此 处 取 0.25， 将 相 关 数 据， 带 入 式 3 可 得 螺 栓 所 受 的 总 拉 力 为 F2=5250N，鉴于螺栓在轴向力作用下需要进行拧紧补充，同时考虑到 转切应力的影响，故需要将轴向总力提高 30%，因此，螺栓的危险截 面的拉伸强度为：
螺栓连接的螺栓的最大应力发生的位置在 螺栓连接位置处，螺栓的危险截面的最大应为 236Mpa，跟前文的理 论分析结果 239MPa 相吻合，说明此螺栓连接的有限元简化模型合理。 采用有限元分析的方法，可以大大降低螺栓强度校核计算量，而且可 以更加直观地显示危险位置所在的位置，为下一步的理论分析及解决 方案的确立提供参考。
（3）
将相关数据带入式 3 可得，σca=239Mpa<[σ]=240Mpa，可得螺栓强 度满足使用要求。
3 承受预紧力和工作载荷的紧螺栓的有限元分析
根据上述的物理模型，进行有限元建模，建立有限元螺栓模型并 对其进行网格划分。 在有限元进行分析的过程中，采用螺栓的实体连接存在计算量大、 计算不收敛等问题，对螺栓连接进行简化，由于结构形状和载荷存在 对称性，为降低计算量，使计算结果显示更加直观，建立 1/4 模型。 采用预紧单元 PRETS179，并创建预紧截面命令 PSMESH，施加预紧 力载荷进行有限元分析。 在预紧截面上施加预紧力 F0=5000N 以及工作拉力 F=1000N，然 后进行求解。进行受力分析后，得螺栓的应力云图如下图所示。
1 螺栓连接的失效机理分析
螺栓连接所受的载荷包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等， 其受载形式主要为轴向力与横向力。在轴向力的作用下，如果超出了 螺栓的承受范围，螺栓杆将会产生塑性变形甚至将断裂；在横向力的 作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生 压溃或者螺栓杆被剪断等。 本研究主要对螺栓的强度进行分析，对于受拉力载荷的连接螺栓来 说，发生破坏的位置主要在于螺纹的小径位置，对于这种螺纹连接，其 主要的设计准则为保证螺栓具有足够的静力强度。螺栓连接中，最为常 见的受理方式为预紧力与工作拉力同时存在的情况，螺栓在轴向拉力作 用下，螺栓跟连接件都会产生弹性变形，因此，螺栓所受到的总拉力并 不是预紧力跟工作拉力之和。根据力学知识，螺栓的总拉力跟预紧力跟 工作拉力有关以外，还会受螺栓以及连接件的刚度等因素相关 。 [5-6]
参考文献： [1] 江国栋 , 陈彤 .25Cr2Mo1V 钢裂纹扩展机理的研究 [J]. 煤矿机械 ,2004. [2] 卢洪 . 高强度螺栓断裂失效分析 [J]. 福建工程学院学报 ,2009. [3] 吴正佳 , 周进 , 任芬芬 , 张成 . 杜义贤基于 Pro/E Mechanica 的 带螺栓多约束组件结构分析与优化设计 [J]. 煤矿机械 ,2010. [4] 杨敏 . 螺栓连接结构的一种简化数值模拟方法 [J]. 机械设计与制 造 ,2012. [5] 高旭 , 曾国英 . 螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析 [J]. 润滑与密封 ,2010,35(04):68-71. [6]DS SolidWorks 公 司 .SolidWorks Simulation 基 础 教 程 2012 版 [M]. 北京：机械工业出版社 ,2012.
4 结论
由上分析可知，对螺栓进行强度校核时，可以采用有限元的预紧 单元 PRETS179 进行仿真模拟。跟传统的理论公式的推导相比，细节 处的节点载荷有差异，但不影响整体结果的正确性，而且计算结果更 加直观，为综合分析提供更加准确而全面地分析。对于机载设备装配 体中螺栓连接，此方法更具有实用的工程价值，对于螺栓的布置方式、 螺栓的选型设计，也具有一定的参考意义。
0 引言
螺栓连接具有结构简单，调整简便，可反复拆卸等优点，是目前最 为常用的工程结构的连接方式。但是在复杂的工程应用过程中，由于交 变载荷的作用，在振动、冲击等干扰因素作用下，往往对螺栓产生严重 的破坏，螺栓的强度将直接关系到设备的正常使用及使用的安全性 [1]。 与运用经典的理论力学相关知识对螺栓的强度进行校核相比，主 要借助于理论分析，通过经验公式等进行校核计算，在计算过程中， 对螺栓的整体受力情况及受力位置等考虑并不全面，此外，并不能完 全的显示各个位置的受力状况，不能很好地用于指导实践。通过有限 元分析软件，可以轻松的分析整个螺栓的受力状况，计算结果更加直 观地展现，而且计算工作量大大降低，因此，有限元软件越来越多的 被应用到螺栓的校核中 。 [2-4]
工业技术
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紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究
王建国 （济南鑫光试验机制造有限公司 , 济南 250214）
摘 要：为简化传统力学对螺栓进行强度校核的计算过程，提高计算结果的直观性，采用了一种螺栓的有限元 ANSYS 的简化模拟分析，为了验 证有限元简化模拟分析的准确性，利用传统力学的解析法对螺栓的强度进行校核，结果发现，此螺栓的有限元简化模型的模拟仿真结果与理论 计算结果保持一致，说明对于螺栓强度的校核，此简化方法是有效的，对于工程应用具有重要的借鉴意义。 关键词：螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真