高強(qiáng)度螺栓連接的有限元分析

1、高強(qiáng)度螺栓連接的有限元分析柳長(zhǎng)江(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061)*摘 要:在已有試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上合理地建立數(shù)值模型,采用大型有限元分析軟件對(duì)摩擦型高強(qiáng)螺栓的抗剪連接性能進(jìn)行分析,探討摩擦系數(shù)、螺栓的預(yù)拉力、螺栓的材料性能等對(duì)連接的影響。關(guān)鍵詞:摩擦型高強(qiáng)螺栓;摩擦系數(shù);預(yù)應(yīng)力中圖分類號(hào):TU323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-4288(2007)04-0123-03鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接常用的有焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接三種連接形式。其中螺栓連接有普通螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接兩種連接方式,而高強(qiáng)度螺栓連接按其受力特征分為高強(qiáng)度螺栓連接和承壓型高強(qiáng)度螺栓連接兩種類型,其中摩擦型高強(qiáng)度螺栓

2、連接施工簡(jiǎn)單、耐疲勞、可拆換、能承受動(dòng)力荷載,是鋼結(jié)構(gòu)中廣泛采用的一種方式。文獻(xiàn)1已經(jīng)給出了摩擦型高強(qiáng)度螺栓的抗剪承載力計(jì)算公式,并對(duì)其抗滑移系數(shù)和預(yù)拉力作了明確規(guī)定。但對(duì)日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理方式,獲知它的基本受力性能還是必要的,可有助于更好地進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此本文將在已有試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)摩擦型高強(qiáng)螺栓的抗剪連接性能進(jìn)行探討。1 計(jì)算模型為了使建立的計(jì)算模型合理,能反映高強(qiáng)螺栓連接實(shí)際受力情況,本文取文獻(xiàn)2的S2試件(見(jiàn)圖1)建立計(jì)算模型?？紤]試件受力和構(gòu)造的對(duì)稱性,取其一半作為計(jì)算模型來(lái)分析高強(qiáng)螺栓的受力特點(diǎn)。圖2 通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的計(jì)算模型本文采用ANSYS程序?qū)D1所示的

3、連接節(jié)點(diǎn)建立有限元計(jì)算模型。對(duì)連接板及拼接板單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分,單元采用八節(jié)點(diǎn)SOLID45實(shí)體單元,實(shí)體單元的三個(gè)方向的尺寸不能懸殊太大,最大的邊長(zhǎng)比控制在10以內(nèi)。螺栓頭和螺栓帽用圓柱體模擬,單元也采用八節(jié)點(diǎn)SOLID45實(shí)體單元,螺拴頭和螺拴帽的墊片不單獨(dú)考慮,但將它們的厚度分別加入螺栓頭和螺栓帽的圓柱體中,栓桿用圓柱體來(lái)模擬,圓柱體橫截面面積為栓桿的毛面積。模型采用三維實(shí)體元,Mises屈服準(zhǔn)則,塑性區(qū)采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型,計(jì)算時(shí)采用更新的拉格朗日列式,大變形效應(yīng)打開(kāi)(整體剛度矩陣中包含幾何剛度矩陣)以考慮P一v效應(yīng)及摩擦面間的滑移,三階高斯積分,誤差限為1.010。連接板與拼接板及螺栓

4、帽間的摩擦是接觸問(wèn)題,是一種高度非線圖1 計(jì)算模型選取的試驗(yàn)試件-5性行為,本文選取目標(biāo)單元targe170和接觸單元Con-ta174來(lái)模擬這一接觸狀態(tài),其摩擦系數(shù)按文獻(xiàn)12 高強(qiáng)螺栓連接有限元模型*收稿日期:2007-04-28作者簡(jiǎn)介:柳長(zhǎng)江(1965),男,河南焦作人,濰坊學(xué)院土木工程系副教授,博士。)濰坊學(xué)院學(xué)報(bào) 2007年7月圖3 S2試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果選取。高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力采用預(yù)拉伸單元的方法進(jìn)行加載,分析過(guò)程中包含了材料、幾何PRETSl79來(lái)施加。邊界條件如圖1所示。為了盡可和狀態(tài)的三重非線性,其結(jié)果如表1所示,其P-能準(zhǔn)確地模擬連接的受力,同時(shí)亦不過(guò)多增加計(jì)算時(shí)$曲

5、線如圖3所示。從實(shí)驗(yàn)曲線和有限元計(jì)算間,采用了對(duì)稱性,取一半進(jìn)行分析,整個(gè)模型的有限曲線對(duì)比可知:計(jì)算的初始剛度略高于實(shí)驗(yàn)值,元網(wǎng)格劃分如圖2所示。1可能是未考慮實(shí)際構(gòu)件的初始缺陷引起的。但材料參數(shù)按文獻(xiàn)2取用,根據(jù)規(guī)范對(duì)熱處理從總體上來(lái)說(shuō),計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好,模型后螺栓的最低要求,對(duì)于10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓:屈服強(qiáng)用于分析螺栓連接有足夠的精度。度Ry=940Mpa,Ru=10/9fy=1044.44N/m,Eu=10%;對(duì)于8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓:屈服強(qiáng)度Ry=2通過(guò)對(duì)抗剪高強(qiáng)度連接構(gòu)件的有限元計(jì)算,可得到有限元模型在極限承載力時(shí)的應(yīng)力分布如圖圖2640Mpa,Ru=10/9fy=820N/m

6、m,E%,可計(jì)4所示。由圖可知,此時(shí)最大應(yīng)力分布在拼接板的u=10算出高強(qiáng)螺栓的屈服應(yīng)變E.456%可計(jì)算出高強(qiáng)中間螺栓孔的橫截面處,其值都已超過(guò)材料的屈服y=0螺栓的屈服應(yīng)變E.456%。上述各種材料的泊松強(qiáng)度,且局部已達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度;在連接板的邊y=0比均取為C=0.27,E=206000N/mm。3 高強(qiáng)螺栓連接的有限元模擬及受力分析建立圖1中所示的構(gòu)件約束,采用控制位移2緣螺栓孔的橫截面處,其值也已超過(guò),但要比拼接板的中間螺栓孔的橫截面處的應(yīng)力稍小一些。變形最大的也在拼接板的中間螺栓孔的橫截面處。圖4 極限荷載下連接板與拼接板的應(yīng)力分布圖)第4期 柳長(zhǎng)江:高強(qiáng)度螺栓連接的有限元分析

7、表1 高強(qiáng)度螺栓連接的計(jì)算結(jié)果編號(hào)實(shí)驗(yàn)值1計(jì)算值T1T2T3預(yù)拉力(kN)155155155186155以上述方法為基礎(chǔ),對(duì)T1T3試件進(jìn)行非線性有限元分析,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出,增大摩擦系數(shù),可以提高滑移荷載,而對(duì)屈服荷載和極限荷載幾乎沒(méi)有影響,但卻降低極限位移。增大螺栓預(yù)拉力,與增大摩擦系數(shù)一樣可以提高滑移荷載,對(duì)屈服荷載和極限荷載幾乎沒(méi)有影響,但卻降低極限位移。在預(yù)拉力不變的前提下,選用8.8級(jí)的螺栓對(duì)結(jié)果幾乎沒(méi)有什么影響。參考文獻(xiàn):4 結(jié)語(yǔ)用本文所述的有限元模型來(lái)分析摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接,具有快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn),可以詳細(xì)描述連接細(xì)部的應(yīng)力變化。在此連接中,增大摩擦系數(shù),能使滑

8、移荷載提高,極限位移降低但對(duì)屈服荷載和極限荷載影響不大。增大螺栓預(yù)拉力與增大摩擦系數(shù)對(duì)連接的影響一樣,但遠(yuǎn)沒(méi)有摩擦系數(shù)的影響明顯。在預(yù)拉力不變的前提下,選用高強(qiáng)度螺栓對(duì)結(jié)果幾乎沒(méi)有什么影響。1中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)M.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.2李啟才,顧 強(qiáng).摩擦型高強(qiáng)螺栓連接性能的試驗(yàn)研究J.西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(3):322-324.FiniteElementAnalysisofHigh-StrengthFrictionBoltConnectionLIUChang-jiang(WeifangUniversity,Weifang261061,China)Abstract:Basedontheknowntestresults,arationalcalculationmodelonhigh-strengthboltfrictionconnec-tionisbuiltandanalysedusesofANSYSsof.tTheeffectofseveralparametersontheconnectionisana