螺栓和法蘭連接的接觸分析

1、螺栓和法蘭連接的接觸分析摘要：在各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中，螺栓連接是一種簡單而普遍的連接形式。研究螺栓連接的歷史悠 久，一個(gè)世紀(jì)以來，各種科研機(jī)構(gòu)均對(duì)其進(jìn)行過深入細(xì)致的研究，多采用兩種常用的方法: 理論解析法和有限單元法。其中螺栓與法蘭的接觸問題又是一種典型的邊界條件非線性問 題，接觸體的接觸面積和壓力分布隨外載荷變化而變化。在分析接觸問題時(shí)，使用 Abaqus/standard模塊，能正確模擬接觸的過程，判斷接觸狀態(tài)、輸出接觸壓力、接觸面積、 能量的變化、局部方向的摩擦剪應(yīng)力和相對(duì)滑動(dòng)1前言螺栓法蘭連接是壓力容器上必不可少的重要部件，被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、原子 能、輕工等領(lǐng)域。連接失效形式主要表

2、現(xiàn)為泄露，一旦發(fā)生泄露，不僅給工業(yè)生產(chǎn)帶來安全 隱患，而且會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。在有限元分析中接觸條件是一種特殊的不連續(xù)約束。 它允許從模型的一部分傳遞到另一部分，只有當(dāng)兩表面接觸時(shí)才會(huì)有約束產(chǎn)生，而當(dāng)兩個(gè)接 觸的面分開時(shí)，約束作用就會(huì)消失。在求解承受外載荷作用的螺栓法蘭連接問題時(shí)，由于墊片材料的非線性和外載荷的非 對(duì)稱性，分析比較復(fù)雜。因本人能力有限，故簡化了多模型的分析，去掉了墊片的影響。2有限元模型的建立2. 1建模本文基于Abaqus/CAE模塊，建立螺栓與法蘭接觸的模型。其中所有的部件尺寸都為作 者自定義，可能與實(shí)際情況會(huì)有所差別?；诮Y(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，只取模型的1/4進(jìn)行分

3、析。見圖2-1圖2-1螺栓與法蘭連接的三維模型在接觸分析中有兩個(gè)重要問題：1、在接觸關(guān)系建立起來之前，模型中的實(shí)體可能出現(xiàn)剛 體位移；2、接觸條件突然改變，導(dǎo)致Abaqus無法收斂。因此，本文建模分析使用了多步 分析步，使模型平穩(wěn)地進(jìn)入接觸狀態(tài)，將載荷逐步施加到模型上。各接觸面上使用庫倫摩擦， 摩擦系數(shù)為0.15。又因?yàn)槁菁y處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不是所關(guān)心的重點(diǎn)，故為了簡化分析，不 對(duì)螺紋精確建模，而是在螺栓與螺母接觸的內(nèi)表面之間建立綁定約束（tie）.輸入材料特征本分析中法蘭與圓盤的材料用的是2.25Cr1Mo;彈性模量為176.4*103 MPa，屈服極限為 234MPa，泊松比為0.3；螺栓與

4、螺母使用的材料為25Cr2MoVA，彈性模量為1593.6*103MPa， 屈服極限為512MPa，泊松比為0.3.分析步建立此模型有五個(gè)分析步：1、初始分析步initial施加固定邊界條件和整個(gè)模型的對(duì)稱邊界條 件；2、第一分析步，在圓盤上定義臨時(shí)固支邊界條件，在螺栓上施加很小的預(yù)緊力，讓各 個(gè)接觸關(guān)系平穩(wěn)地建立起來。3、第二分析步，去掉圓盤上的臨時(shí)固支邊界，保持螺栓預(yù)緊 力不變4、第三分析步，將螺栓上的預(yù)緊力加到7500N； 5、第四分析步將螺栓上的預(yù)緊力改 為固定螺栓的長度；6、第五分析步，在法蘭軸向施加10000N的拉力。最后，得到施載荷如 圖2-2所示；提交分析作業(yè)，經(jīng)后處理得到的變

5、形云紋圖如圖2-3, 2-4, 2-5, 2-6所示。圖2-2定義的載荷和邊界約束圖1.0000E-02圖2-4螺母變形云紋圖andard 6.10-1圖2-3圖2-5螺栓變形云紋圖圖2-6圓盤變形云紋圖3結(jié)果分析通過對(duì)abaqus計(jì)算結(jié)果后處理，使用plot功能，可以得到在螺栓受預(yù)緊力作用的情況下， 模型應(yīng)變能隨時(shí)間的變化圖，如圖3-1所示。模型中總能量輸出隨時(shí)間的變化圖，如圖3-2 所示。通過reportField output命令，還可以得到模型各個(gè)部件應(yīng)力、應(yīng)變和位移的大 小。對(duì)圖3-1和3-2進(jìn)行分析，可知在initial和第一，第二分析步中，螺栓逐漸擰緊直至 與部件接觸，所以沒有能

6、量的產(chǎn)生和釋放，從第三個(gè)分析步開始，由于預(yù)緊力越來越大，所 以能量也逐漸增加，由于此過程中，模型是吸收能量的，所以總輸出的總能量也負(fù)的越來越 多，直到所加預(yù)緊力達(dá)到最大，能量又進(jìn)入一個(gè)平衡階段。分析圖3-3,此圖是3-1的放大 圖，由于第一步到第三步能量變化是比較小的，所以在圖3-3中，時(shí)間從0到0.03都是以直線表示了。由于第四分析步中加載了軸向的外載荷，所以，從第四分析步開始，應(yīng)變能又 有了一個(gè)增長的過程，而且增長的比第一到第三分析步的要大的多。圖3-1預(yù)緊力作用下應(yīng)變能隨時(shí)間變化圖3-2預(yù)緊力作用下總體能量輸出隨時(shí)間的變化圖3-3預(yù)緊力作用下應(yīng)變能隨時(shí)間的變化（放大圖）由于Abaqus有

7、限元軟件的強(qiáng)大查詢功能，可查詢模型各個(gè)部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小和位移大 小。如圖3-4為法蘭部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在181號(hào)節(jié)點(diǎn)處，為127MP， 最小應(yīng)力出現(xiàn)在4941號(hào)節(jié)點(diǎn)處，為0.9P。取模型中間的那個(gè)螺栓2為研究對(duì)象，如圖3-5 為螺栓2部分節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在964號(hào)節(jié)點(diǎn)處，為552MP，最小應(yīng)力發(fā) 生在13034號(hào)節(jié)點(diǎn)處，為0.8P。同樣的圖3-6,3-7分別顯示了法蘭和螺栓1的最大位移和 最小位移。Field Output reported at nodes For part: FALAN-1 Computation algorithm: EXTRAPOLA

8、TE_COMPUTE_AUERAGE flueraged at nodes Aueraging regions:Field Output reported at nodes for part: LUOSHUAN-2 Computation algorithm: EXTRAPOLfiTE_COMPUTE_AUERAGE Aueraged at nodes Aueraging regions: ODB_REGIONSNodeS.MisesNodeLabelS.MisesLoc 1LabelQLoc 1638730.1792638815.617413073243.949E-03638934.0205

9、13074412.012E-03639636.2011113075423.082E-03639123.538513076348.147E-03639242.007113077415.853E-03639357.316813078354.269E-03639424.495513079147.774E-03639513.562913080284.504E-0313081242.305E-03Minimum916.731E-03Minimum81 .9653E-03fit Node49JU1At Node13834Maximum127.637Maximum204.463At Node181At No

10、de964Total127.921E+03Total552.364E+03ODB REGIONS13072317.416E-03圖3-4法蘭部分節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力變化圖圖3-5螺栓2部分節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力變化圖Field Node Label 6389 6398 6391 6392 6393 639U 6395Output reported U.Magnitudeat nodes For part: U.U1 Loc 1 -15.2118E-03 -1U.1532E-03 -18.U0U4E-03 -8.66559E-03-7.1I3752E-03FALAN-1-260-261-263-266-275-2

11、71-277U.U2 Loc 1U.U261263265267276272278LOC 1QLoc 1.873E-03645E-03-2 0-25-27-21-27-3 0-232558E-03.371E-03730E-037176E-03.771E-03733E-032059E-03.602E-03579E-037099E-03.552E-03186E-03nsnsE-oa.991E-03186E-03.25QE-0327UE-032824E-03MininunAt Node598.887E-064809-1I6.527HE-036155-277.379E-03233-46.3609E-O3

12、 5856Haxinun At Node323.48E-03 4212141.877E-031182.78977E 03 1269147.029E-03 115Total1.39346E*03228.340-1.29447E*03237.901NodeLabel,MagnitudeLoc 1U.U1Loc 1U.U2Loc 1U.QLocU313075161.882E-B382.5214E-03-115.114E-0378.3877E0313 076158.839E-0382.4491E-03-110.713E-0378.5780E0313077164.687E-B382.6340E-03-1

13、19.O35E-0378.2563E0313078159.8WE-0381 .9694E-03-112.851E-B378.0862E0313 079173.831E-03S3.4724E-03-130.8H5E-0378.2876E0313080157.B62E-0382.4218E-03-1B8.077E-0378.7B57E0313 081171.3O2E-0382.3662E-83-128.659E-8377.5B53E83Minimum22.4102E-03-12.443E-03-142.025E-03-8.6885E-03fit Node475775891239616Maximum

14、181.801E-0383.4796E-03-2O.3963E-0379.244E-03fit Node4B329613021Total1.02096E+03119.799-935.203168.756Field Output reported at nodes for part: LUOSHUflN-1圖3-6法蘭部分節(jié)點(diǎn)位移變化圖圖3-7螺栓1部分節(jié)點(diǎn)位移變化圖4 結(jié)論接觸問題是有限元分析過程中遇到的一個(gè)難題，需要構(gòu)建合理的有限元模型，正確 設(shè)定分析步和邊界條件?；贏baqus有限元軟件，在分析接觸問題時(shí)，通過判斷模型 部件上可能發(fā)生彼此接觸的表面，創(chuàng)建可能發(fā)生接觸的接觸對(duì)，最后定義控制各接觸面 之間相互作用的本夠模型。使用Abaqus有限元軟件分析幾