利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究

2022年7月基于ＡＮＳＹＳ和ＶＤＩ２２３０标准的齿圈螺栓强度分析*邬自力，陈永兴，陈新奎（ＳＥＷ－工业减速机（天津）有限公司，天津３００４５７）摘要：在设计分体式齿圈时，不仅仅是需要对轮齿、销轴、支架等各种部件展开完整的强度分析，同时还必须要设计出高强度的螺栓，可以说螺栓设计的合理性将会对整个大齿圈的正常运行带来直接的影响。

这些螺栓不仅仅是需要承受弯矩，同时还需要承受扭矩，受力的情况相当复杂。

如果只是采用一般的材料力学来进行分析，那么是很难进行精确计算的。

文中将结合ＦＥＡ分析软件和ＶＤＩ２２３０标准分析大齿圈中高强度螺栓在极限工况下的强度。

关键词：齿圈；高强度螺栓；ＦＥＡ；ＶＤＩ２２３０中图分类号：ＴH122文献标识码：Ａ文章编号：1001-2354（2022）S1-0109-04Ｓｔｒｅｎｇｔｈa ｎａｌｙｓｉｓｏｆg ｉｒｔｈg ｅａｒｓb ｏｌｔb ａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳａｎｄＶＤＩ２２３０s ｔａｎｄａｒｄWU Zi -li ，CHEN Yong -xing ，CHEN Xin -kui（SEW Industrial Gears （Tianjin ）Co.,Ltd.,Tianjin 300457）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆg ｉｒｔｈｇｅａｒｓ，ｉｔｉｓｎｏｔｏｎｌｙｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏａｓｓｅｓｓｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｅａｒｔｅｅｔｈ，ｐｉｎｓｈａｆｔ，ｂｒａｃｋｅｔａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｂｕｔａｌｓｏｄｅｓｉｇｎｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔｓ．Ｉｔｃａｎｂｅｓａｉｄｔｈａｔｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｂｏｌｔｄｅｓｉｇｎｗｉｌｌｈａｖｅａｄｉｒｅｃｔｉｍ-ｐａｃｔｏｎｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅg ｉｒｔｈｇｅａｒｓ．Ｔｈｅｓｅｂｏｌｔｓｎｅｅｄｔｏｂｅａｒｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｔｏｒｑｕｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｑｕｉｔｅｃｏｍｐｌｅｘ．Ｉｆｏｎｌｙｕｓｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏａｎａｌｙｚｅ，ｔｈｅｎｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｅｖａｌｕａｔｅａｃｃｕｒａｔｅｃａｌ-ｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＦＥＡｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄＶＤＩ２２３０ｓｔａｎｄａｒｄｗｉｌｌｂｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔｓｉｎｔｈｅｇｉｒｔｈｇｅａｒｓｕｎｄｅｒｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：g ｉｒｔｈｇｅａｒｓ；ｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔ；ＦＥＡ；ＶＤＩ２２３０*收稿日期：2022-03-18；修订日期：2022-05-15当前，由于重型机械的迅速发展，特别是磨机、水泥窑、发电设备规格越来越大、带动齿轮圈向大模数、大直径方向发展。

密封件或其他夹紧装置要求
8
螺纹分析
应力集中系数计算 螺纹失效及相关分析
9
多组螺栓装配过程分析
优化螺栓装配先后顺序
10
螺栓动刚度振动分析
振动过程动刚度分析和匹配
11
垫圈分析
垫圈失效校核
12
螺栓磨损分析
磨损分析，磨损疲劳
13 螺栓热机效应，蠕变，松弛分析 热机效应，蠕变，松弛等
螺栓仿真分析部分案例
压力容器法兰联结螺栓螺 纹疲劳计算 压力容器密封性能分析 螺栓应力集中系数计算 考虑复杂边界的永磁电机 建模方法及其模态分析研 究报告 复杂电子机箱模态分析
柔性连接：弹性连接、软轴连接
移动连接：滑动连接、滚动连接
转动连接
螺栓连接
• 螺栓连接形式
螺栓连接
• 螺纹设计输入
螺栓连接失效模式与相关试验
螺栓连接失效形式
• 螺栓不能提供充分的夹紧力，密封不够； • 被连接件挤压强度破坏； • 螺栓过载失效（螺栓载荷超过屈服载荷；螺栓载荷超过了拉伸强度，螺栓
剪切失效） • 螺栓疲劳失效（螺纹失效、螺栓头和螺杆过渡圆角、螺纹与光杆过渡处） • 螺纹剥离；
细节结构VS连接
• 连接分类
机械连接
铆接、螺栓连接、键销连接、弹性 卡扣连接等
静联接
焊接 粘接
利用电能的焊接（电弧焊、埋弧焊、 动连接 气体保护焊、点焊、激光焊） 利用机械能的焊接（段焊、冷压焊、 爆炸焊、摩擦焊等）
粘合剂粘接；溶剂粘接
不可拆固定连接：焊接、铆接、粘接 等
可拆固定连接：螺纹连接、销连接、 插接等
➢ 螺栓与螺母的螺纹接触处采用cylindrical joint的方式定义
➢ 通过插入命令将joint 修改为screw joint， 并定义节距

4-8
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
... 摩擦
刚性库仑摩擦: 只允许滑动摩擦. 接触响应不能是“粘着”
– 此模型只适用于分析同一方向上的连 续滑动. • 例如砂轮打磨物体时.
– 在u = 0 时的不连续等效于无限刚度. 如果滑动停止或反向会出现收敛困难.
h Inventory # 001567
4-3
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
... 摩擦
Training Manual
• 实际摩擦是一个复杂的现象，它是下面因素的函数:
– 接触材料 (包括润滑剂). – 表面粗糙度. – 温度. – 物体的相对速度.
• 摩擦的机制至今尚未完全弄清.
弹性库仑摩擦模型（续）: 允许粘着和滑动
FT mFN
KT u
Training Manual
– 粘着区被处理为弹性的，并具有剪切刚度 KT.
• 剪切刚度具有与正刚度相同的效果: 刚度大时精度高，刚度小时收敛性好. • 可以指定 KT, 或由程序指定 KT 为 KN的分数 (通常为 KN的 1% ).
h Inventory # 001567
||
TAUMAX
m
TAUMAX 的一个估计上限为:
y 3
式中 y 是接近表面的材料的等 效 Mises 屈服应力 . 经典数据 通常是TAUMAX 比较好的初始
p 值.
h Inventory # 001567
4-7
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
... 摩擦
第四章
摩擦

则: TAU = Shear Stress
Fn
缺省值: TAUMAX = 1e20
Ft
m Fn
2021/8/10
6
... 摩擦
弹性库仑摩擦模型（续）: 允许粘着和滑动 • 一些单元采用实常数 TAUMAX 模拟这种限制 .
| |
TAUMAX
m
TAUMAX 的一个估计上限为:
y
3
式中 y 是接近表面的材料的等 效 Mises 屈服应力 . 经典数据 通常是TAUMAX 比较好的初始 p 值.
缺省值:
FACT = 1, dc = 0
MUS=MUK=0
2021/8/10
14
… 摩擦
摩擦系数 (续): 动摩擦系数作为表面速度的函数，使静态平稳过渡到动态
Friction coefficient vs velocity
0.160
0.140 0.120
friction coefficient
0.100 0.080 0.060 0.040
数. – 对于面－面接触单元，动摩擦系数以表面相对速度的函数计算得出.
• 无摩擦时, 取 m = 0.
2021/8/10
13
… 摩擦
摩擦系数 (续): • 对于面－面接触单元，动摩擦系数是速度的指数函数，并以下式表示:
m = m k + (m s-m k)e- dcVt 或 MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*vtfs/deltaT)) 式中: MUK = 动摩擦系数 (由用户定义) FACT = MUS/MUK (由用户定义) MUS = 静摩擦系数 dc = 衰减系数 (由用户定义) vtfs/deltaT = 表面间的相对速度