自攻螺釘連接抗剪承載力有限元

自攻螺釘連接抗剪承載力有限元

建模方法的研究ID王小平1,房玉松1（1武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430070）摘要：隨著輕鋼龍骨體系及彩鋼板的廣泛使用，自攻螺釘連接受力性能也越來越被人們重視。目前國內(nèi)有關(guān)自攻螺釘連接受力性能的研究主要集中在試驗和有限元分析兩方面，其中有限元的建模方法各有不同。本文采用ANSYS有限元軟件建立了自攻螺釘抗剪連接的七種簡化計算模型，對各種簡化模型所得連接的極限承載力、破壞形式及建模特點進行了比較，得到了自攻螺釘連接合適的有限元建模方法，為自攻螺釘抗剪承載力的理論研究提供有益的參考。關(guān)鍵詞：自攻螺釘連接；抗剪承載力；有限元；建模方法；研究ResearchOnFiniteElementModelingMethodofAnti-shear

CapacityofSelf-drillingScrewConnectionWangXiaoping1，F(xiàn)angYusong1(1SchoolofCivilandArchitectureEngineeringofWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)Abstract:Withthedevelopmentoflight-gaugedsteelsystemandcolorsteelplate,themechanicalperformanceofself-drillingscrewconnectionisincreasinglyconcerned.Atpresent,researchontheself-drillingscrewconnectionfocusesonexperimentandfiniteelementanalysisinChina.Butthemodelingmethodoffiniteelementanalysisisdifferent.Inthispaper,sevensimplifiedanalysismodelsarebuiltwithfiniteelementanalysissoftwareANSYS.Theultimatebearingcapacity,failuremodeandmodelingfeaturearepresentedandcomparedforthedifferentsimplifiedmodels.Thesuitablefiniteelementmodelingmethodisprovided.Theresearchresultisbeneficialtothetheoryresearchoftheanti-shearcapacityoftheself-drillingscrewconnection.Keywords:Self-drillingscrewsconnection；Anti-Shearcapacity；Finiteelementmethod；Modelingmethod；Research1前言近年來，隨著輕鋼龍骨體系的發(fā)展及彩鋼板的廣泛使用，自攻螺釘以其施工方便、連接剛度好、承載力高及對施工人員要求低等特點而成為冷彎薄壁結(jié)構(gòu)的主要連接形式。自攻螺釘由鉆頭、絲錐及絲扣等三部分構(gòu)成。其中，鉆頭主要用于在連接件上鉆孔；絲錐用于在孔上加工螺紋；絲扣的主要作用是將螺釘擰入，不用螺帽就能將被連接板彼此擰緊，從而起到連接的作用。用于自攻螺釘連接的連接鋼板都比較薄，有的達到1.0mm以下，在沿螺釘軸向力的作用下連接件與螺釘之間在很小的拉力作用下就破壞，因此主要考慮螺釘?shù)目辜糇饔?。目前國?nèi)外對于自攻螺釘節(jié)點的研究主要集中在試驗方面⑵⑶[4][5]，采用有限元方法研究的比較少[6][7]，而簡化建模方法是有限元分析結(jié)果是否合理的關(guān)鍵。本文采用七種不同方法建立了螺釘受剪時的ANSYS有限元模型，并把分析數(shù)據(jù)與規(guī)范[8]螺釘抗剪承載力計算結(jié)果進行了比較，找出了適合自攻螺釘抗剪承載力的有限元分析建模方法，為類似的理論分析提供參考。2七種受剪自攻螺釘有限元建模方法2.1研究對象在實際工程中，連接的形式多種多樣，本文主要選用一種典型的單剪拉伸試件研究自攻螺釘?shù)目辜舫休d力。加載前，不考慮螺釘帽與鋼板之間、鋼板與鋼板之間及螺釘絲扣與鋼板之間的摩擦力，試件的力學(xué)計算簡圖如圖1。圖1中，試件左端設(shè)為固定端，即約束節(jié)點的所有自由度，而右端沿拉力方向采用滑動支座的方式來施加荷載，其余方向的自由度均約束。連接板的厚度均采用2mm、材質(zhì)為Q235的鋼材；螺釘采用ST5.5自鉆自攻螺釘?！?一一=—OJi寸1'螺釘ST5.5_頊_UC一1jO圖1力學(xué)計算模型2.2材料自攻螺釘?shù)牟牧隙酁楹辖痄?，材質(zhì)較硬，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本沒有明顯的流幅，應(yīng)力一旦達到極限強度600MPa即宣告破壞，之前的塑性變形極小。為了體現(xiàn)極限強度的概念，需要將螺釘在有限元分析中的本構(gòu)關(guān)系設(shè)定為如圖2（a）的形式，利用材料“進入塑性產(chǎn)生很大變形”來控制收斂，進而得出極限荷載。事實上，螺釘材料“進入塑性產(chǎn)生很大變形”是幾乎不可能的，因為實際上螺釘一旦達到極限強度便斷裂了［51Oa螺釘材料的本構(gòu)關(guān)系圖由于Q235鋼板延展性好，應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯流幅，因此鋼板的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系設(shè)定為三線形，如圖2（b）所示。這三條線段分別代表三個階段：彈性階段、屈服后的強化階段和材料破壞階段。事實上，第三階段應(yīng)為下降段，但是由于在ANSYS程序中，如若材料本構(gòu)關(guān)系帶下降段，則模型計算時很難收斂，因而本文在此將第三條直線處理成水平段。對于一般Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強度處于375?460MPa之間，為簡化起見，均取400MPa。O（MPa）0.00140.3b鋼板材料的本構(gòu)關(guān)系圖圖2材料的本構(gòu)關(guān)系2.3有限元建模方法采用ANSYS有限元軟件建模時，受剪螺釘試件中單元的簡化方法分兩種情形：第一種情形為連接板和螺釘均采用實體模型；第二種情形為連接板采用殼單元，螺釘采用實體單元。按照剪力的傳遞方式不同，有限元建模方法可分成三類：第一類通過單元的接觸傳遞剪力；第二種通過節(jié)點的耦合來傳遞剪力；第三種通過共用節(jié)點單元來傳遞剪力。綜合受剪螺釘試件中單元的兩種簡化情形和非對稱結(jié)構(gòu)，故采用整體建模的方式。其余六種模三類剪力傳遞方法，表1中給出了試件七種不同的型均為對稱結(jié)構(gòu)，因此僅建試件一半的模型。有限元建模方法及模型。其中，第一種簡化方法為表1受剪螺釘試件的七種有限元建模方法簡圖建模方法介紹有限元模型螺釘連接板kJIII連接板I三一Z螺釘連接板二匚二二螺釘連接板螺釘根據(jù)GB5280-85標準實體建模。連接板和螺釘均采用SOLID45單元劃分網(wǎng)格，螺釘與連接板之間及連接板與連接板之間均考慮面-面的接觸分析。螺釘采用簡化的實體建模，其中螺紋簡化成旋轉(zhuǎn)體，螺桿的最小截面面積與第一種方法中的受剪面積相當。連接板和螺釘均采用SOLID45單元劃分網(wǎng)格，螺釘與連接板之間及連接板與連接板之間均考慮面-面的接觸分析。螺釘簡化成圓柱體（圓柱體的橫截面面積與第一種方法的受剪面積相當），并在一端加突臺，用來模擬絲扣之間的咬合力。連接板和螺釘均采用SOLID45單元劃分網(wǎng)格，圓柱體、絲扣及連接板之間考慮面-面接觸分析。螺釘簡化成圓柱體（圓柱體的截面面積與第一種方法的受剪面積相當），螺釘與連接板之間用GLUE連接在一起。連接板之間留有一定的間隙（0.1mm）。連接板和螺釘均采用SOLID45單元劃分網(wǎng)格。節(jié)點耦臺螺釘連接板螺釘簡化成圓柱體，連接板和螺釘均采用SOLID45單元劃分網(wǎng)格。在連接面之間螺釘?shù)牟糠钟霉?jié)點耦合來傳遞剪力。螺釘連接板節(jié)點耦合■螺釘連接板螺釘簡化成圓柱體，其中圓柱體的截面面積與第一種方法的受剪面積相當。圓柱體用SOLID45單元MAP劃分網(wǎng)格；連接板采用SHELL181單元MAP劃分網(wǎng)格法。螺釘上的單元與連接板的殼單元之間相交的圓周上采用節(jié)點耦合的方法來傳遞剪力。螺釘簡化成圓柱體，其中圓柱體的截面面積與第一種方法的受剪面積相當。圓柱體用SOLID45單元MAP劃分網(wǎng)格；連接板采用SHELL181單元MAP劃分網(wǎng)格法。實體單元與殼單元之間采用點-面接觸來傳遞剪力。由于螺紋的存在連接板與螺釘之間沿螺釘軸線方向的位移很小，故同一位置的實體單元節(jié)點與殼單元節(jié)點在沿螺釘軸線方向的自由度應(yīng)耦合在一起。AN14:49:18第5組第6組第7組3有限元分析結(jié)果及比較3.1有限元分析結(jié)果針對表1中受剪螺釘試件的七種有限元模型，均采用大位移靜態(tài)求解，并考慮材料的非線性、部分有限元模型的非線性接觸狀態(tài)和VonMiser屈服準則。七種有限元模型求解的VonMises應(yīng)力云圖、板端的位移-荷載曲線、試件破壞過程及極限抗剪承載力如表2所示。表2受剪螺釘試件七種有限元分析結(jié)果vonmises應(yīng)力云圖板端的位移vonmises應(yīng)力云圖板端的位移-荷載曲線破壞過程及極限抗剪承載力加載初期，荷載與位ANAN1移之間成線性的關(guān)系。隨著荷載的進一步增加，螺FFFSTEP=1SUB=999999TIME=1釘受壓側(cè)開始進入塑性，直到螺釘全部進入塑性狀態(tài)，發(fā)生破壞。值得注意的是螺釘帽與鋼板之間也產(chǎn)生了很大的壓應(yīng).003667.136671.269676.402681.535686.070169.203174.336179.469183.602188AN1plate力。如果釘頭部分開槽很深lnd會引m）釘頭的斷裂。極限承載力：5.48kNAN加載初期，由于鋼板之間的緊固由旋轉(zhuǎn)體的DispTacementofpl螺紋來承擔，故鋼板之間產(chǎn)生較大的滑動。隨著荷載的增加，在遠離螺帽的螺釘受壓面開始屈服，從而導(dǎo)致螺釘?shù)钠茐?，而與之相對應(yīng)的鋼板也發(fā)生ate屈服。(mm)AN極限承載力：5.1kN.003665.146629.289593.432557.575521.075147.218111.361075.504039.647003AN極限承載力：5.1kN1SMNSMXSTEP=1SUB=12JUL12009TIME=.141118SEQV(AVG)DMX=.81688加載初期，荷載與位移之間成線性的關(guān)系。由于螺釘兩側(cè)的突臺對鋼板變形的抑制，鋼板在螺釘全截面屈服時，只有部分接觸面達到屈服。plate極限承載力:plate極限承載力:%60kNDisplacementof002826.151893.077359.226427300961.450029.599097.375495.524563.67363ANAN加載初期，板端變形1NODALSOLUTIONJUL12009STEP=1SUB=9TIME=.040587SEQV(AVG)DMX=.633351SMN=.005645SMX=.6與板端力成線性的增加。.06Displacementofpl由于鋼板之間留有0.1mm的間隙，隨著荷載的增加，鋼板之間的螺釘很快達到屈服，最終螺釘被剪切破壞。在螺釘破壞時，鋼板連接面附近部分發(fā)生ate屈服。（mm）極限承載力：5.04kN.005645.137724.269803.401882.533961.071685.203764.335842.467921極限承載力：5.04kNplateAN加載初期，板端變形與板端力成線性的增加。由于鋼板之間未留有間隙且螺釘與鋼板上孔周邊全部粘結(jié)在一起，故其極限承載力明顯高于其它組別的承載力。極nd承載力:11.49kN.001668.134236.266804.399372.531939.067952.20052.333088.465655.598223加載初期，板端變形與板端力成線性的增加。隨著荷載的增加，剪切面上螺釘?shù)膽?yīng)力逐漸增大，直到屈服。同時與螺釘接觸的鋼板也達到屈服。極限承載力：7.49kNAN由于采用了點面的接觸分析，在加載初期變形急速增加，隨后進入彈性階段，板端變形與板端力成線性的增加。隨著荷載的增加，螺釘與鋼板的擠壓面的應(yīng)力逐漸增大，而另一側(cè)開始分離。荷載繼續(xù)增大，鋼板上的擠壓面屈服破壞。極限承載力：5.77kN3.2規(guī)范計算結(jié)果及比較根據(jù)GB50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》兇中的規(guī)定，由ST5.5自攻螺釘和2.0mm厚鋼板連接而成的試件抗剪承載力為：當'=1時，

tNf=3.7插df=3.72*5.5*235=5.76kNv，且Nf<2.4tdfv其中：d一螺釘直徑（mm）t一釘頭側(cè)鋼板的厚度（mm）f一被連接鋼板的屈服強度（N/mm2）故：Nf=3.^/23*5.5*235=5.76kN圖3為七種受剪螺釘試件通過有限元分析得到的鋼板拉力一位移曲線及規(guī)范⑹抗剪承載力計算結(jié)果。12.0010.008.006.004.002.000.00?第一組-■一第二組Tl第三組第四組-E1第五組-e—第六組Tl第七組標準剪力0.002.004.006.008.0010.00板端位移（mm）圖3七種受剪螺釘試件鋼板拉力一位移曲線結(jié)合表2及圖3中的分析結(jié)果可知：在5kN的板端力的作用下，連接板的拉伸變形為0.1mm，遠遠小于模型求解時的板端位移，故可忽略不計。板端位移較大的第2組、第3組、第5組和第7組有明顯的拉伸階段，不適于模擬螺釘斷裂的連接。用第一組模型的有限元分析的抗剪承載力略低于規(guī)范中的剪力值；第4組和第7組模型雖然螺釘?shù)目辜舫休d力與規(guī)范規(guī)定的剪力值略有差異，但這兩種簡化方法明顯顯示出螺釘?shù)耐蝗患魯嗟默F(xiàn)象。表3顯示七種受剪螺釘試件在進行有限元分析時，其建模難易程度、計算時間長短、極限承載力與規(guī)范計算結(jié)果的比值及板端極限位移等。通過比較可知：第一組采用螺旋體螺釘?shù)挠邢拊Ｐ瓦m用于研究螺釘連接局部的受力性能；第4組采用螺釘與連接鋼板都用solid單元和第6組鋼板上的shell單元與螺釘?shù)膕olid單元耦合的有限元模型適應(yīng)于研究構(gòu)件的整體受力性能。表3七種受剪螺釘有限元分析方法的比較組別建模困難程度計算時間極限承載力與規(guī)范抗剪承載力的比值板端極限位移（mm）適用范圍第一組力Kt-Kt-Kt-Kt-^****力Kt-Kt-Kt-Kt-^****0.9511.31研究連接局部的受力性能第二組********0.8851.78不宜采用第三組********0.9724.05不宜采用第四組****0.8750.20研究構(gòu)件的整體受力性能第五組****1.99510.00不宜采用第六組***1.3000.49研究構(gòu)件的整體受力性能第七組****1.0022.92不宜采用6結(jié)論與不足本文以受剪螺釘試件為對象，采用ANSYS有限元軟件建立了試件的七種簡化計算模型，對各種簡化模型的極限承載力、破壞形式及建模特點進行了分析，并與規(guī)范抗剪承載力計算結(jié)果進行了比較，得到了自攻螺釘抗剪連接