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1、1 概述为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等，Yl设备中，广泛地使用各种连接。其中，螺栓组连接最具有典型性，高强螺栓是Yl设备中常见的连接部件，起着连接各主要部件的作用。*的*主要由HB、LB、AZZ和LFT等四部分组成，各部分用高强螺栓连接，如图1所示。根据连接的工作载荷，分析各螺栓的受力状况，进行强度校核。*在BD过程中，高强螺栓是在交变载荷作用下工作的，除强度分析外，还需进一步进行疲劳分析。图（a）AZZ与LFT的螺栓连接图（b）LB与AZZ的螺栓连接图1 *LB螺栓连接示意图设备制造有限公司，于2011年设计了*，对*的高强螺栓进行整体结构强度分析和疲劳校核，为顺利
2、安全的生产运行提供数据支持。2 材料参数整体结构材料：Q235钢。材料力学参量为：材料密度为 =7.85 t/m，弹性模量E=210MPa，泊松比 =0.3。螺栓的材料：合金钢。材料力学参量为：材料密度为 =7.85 t/m，弹性模量E=210MPa，泊松比 =0.3。疲劳特性参数如表1所示，S-N曲线如图2所示。表1 疲劳曲线数据序号1234567891011循环次数（N）10205010020020001E42E41E52E51E6应力幅（MPa）2879222115861207931428303248179166138图2 高强螺栓材料的S-N曲线*的高强螺栓先进行预紧连接，在预紧力的作
3、用在，*拍动，在预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，螺栓还承受工作载荷。*BD过程中，螺栓仅受拉应力作用，*BD到最高点时，速度为0，瞬时向心力为0，此时螺栓仅受预紧力作用，*BD到最低点时，重力势能全部转化为动能，此时速度最大，螺栓承受的拉力最大。因此，螺栓承受在预紧力基础上的最大工作载荷作用，整个周期内，载荷交替变化，在交替载荷作用下，对螺栓进行疲劳分析。使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)13.0中的疲劳分析模块Fatigue Tool，根据*的对称性进行疲劳分析。A-A和B-B剖面都用的是M30的螺栓，其中A-A剖面为32个螺栓，B-B剖面
4、为30个螺栓，预紧力为25.7KN 。C-C剖面用的是M24的螺栓（共计40个螺栓），预紧力为16KN。因此，分别对M30的螺栓和M24的螺栓进行结构应力和疲劳强度校核。3 A-A剖面M30螺栓有限元分析3.1 几何模型由于*在BD过程中，仅受拉力作用，每个螺栓受到均匀的拉力。A-A面有32个M30的螺栓，需验证A-A面上螺栓的结构应力和疲劳强度。使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)13.0多物理场协同CAE仿真软件，仅对剖面A-A的螺栓，建立了有限元实体模型，根据对称性，对*进行简化处理，可仅对结构的三十二分之一进行建模。如图3。（a）*的三十
5、二分之一（b）LB与AZZ间的螺栓连接（c）30的螺栓（d）螺栓柱与螺帽之间的圆角图3 A-A面30的螺栓连接几何模型3.2 有限元实体模型根据A-A面螺栓连接的几何模型，建立了有限元模型。采用20节点的186单元对有限元实体模型并进行单元网格划分，并使用扫掠为主的网格划分方法，获得了六面体为主的较为理想的有限元网格，为获得较为精确的仿真结果，并在关键部位进行局部加密。如图4所示。单元总数为62028个，节点总数为259647个。（a）*的三十分之一网格（b）LB与AZZ间的螺栓连接网格（c）30的螺栓网格（d）螺栓柱与螺帽之间的圆角网格图4 A-A面30的螺栓连接有限元模型3.3 载荷与约束
6、根据A-A面M30螺栓连接结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束。*的顶部与立柱连接，*的顶部施加全约束。螺栓连接LB和AZZ，螺栓与LB、AZZ之间施加绑定接触，模拟预紧力作用下，螺栓与这两个部件之间的紧密连接；LB与AZZ之间施加粗糙接触，以允许两部件之间不能承受拉力，这样，*BD过程中，所有的拉力都有螺栓来承担。螺栓施加25.7KN的预紧力。由整体分析报告可知，四分之一*受到的载荷为F3：（28878.21-1715.641.5）9.8=182129.178N则*的三十分之一受到的载荷为F4：182129.1784/32=24283.89 N把F4施加在LFT与支臂连接的相应部位，方
7、向为Y向负向。考虑到*BD到最底部时，受到4g的加速度，以及1.5倍的动载系数，Y的负向施加6g的加速度。载荷与约束如图5所示。（a）整体的载荷与约束（b） M30螺栓的预紧力图5 A-A面M30螺栓连接的载荷与约束示意图3.4 有限元应力分析结果为了模拟螺栓在预紧力作用下，*正常工作下螺栓的承载能力，分为两个载荷步。第一个载荷步中，螺栓施加25.7KN的预紧力；第二个载荷步：锁定第一步施加的螺栓预紧力，并施加F4的工作载荷和6g的加速度。3.4.1 载荷步1：预紧力M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用下，螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图6（a）、（b）所示。螺栓的最大
8、应力为106.56MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图6（c）、（d）。（a） 螺栓连接部件的整体应力云图（b） 螺栓连接部位的局部应力云图（c）螺栓的整体应力（d）螺栓的局部最大应力图6 A-A面M30螺栓载荷步1的分析结果3.4.2 载荷步2：预紧力+工作载荷A-A面M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用的基础上，施加相应的并施加F4的工作载荷和6g的加速度。螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图7（a）、（b）所示。螺栓的最大应力为133.45MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图7（c）、（d）。（a） 螺栓连接部件的整体应力云图（b） 螺栓连接部位的局部
9、应力云图（c）螺栓的整体应力（d）螺栓的局部最大应力图7 A-A面M30螺栓载荷步2的分析结果3.5 M30螺栓疲劳校核分析结果由上一节可知，由于交变载荷的影响，螺栓的最大应力在107.04MPa141.81MPa之间交替变化，30螺栓的应力比:r=0.7548在交变载荷作用下，螺栓连接部件整体的等效交变应力，即疲劳应力幅如图8（a）所示。螺栓的最大应力幅为16.144MPa，出现在螺柱与螺帽连接部位，如图8（b）所示。M30螺栓的整体疲劳寿命（Life）如图8（c）所示。显示的是疲劳作用，直到失效的循环次数。由图可知，螺栓的整体疲劳寿命，就是S-N曲线的最大循环次数1e6，达到无限寿命。M3
10、0螺栓的整体疲劳安全系数（Safety Factor）如图8（d）所示。由图可知，螺栓的整体疲劳安全系数8.5515，疲劳安全系数最小值为8.55，出现在螺栓与螺帽的连接部位。图（a） 螺栓连接部件整体的计算应力图（b） 螺栓的最大计算应力图（c） M30螺栓的疲劳寿命图（d） M30螺栓的疲劳安全系数图8 M30螺栓的疲劳分析3 M30螺栓有限元分析3.1 几何模型由于*在BD过程中，仅受拉力作用，每个螺栓受到均匀的拉力。A-A面有32个M30的螺栓，B-B面有30个M30的螺栓，因此，仅需验证B-B面上螺栓的结构应力和疲劳强度。使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Envir
11、onment(AWE)13.0多物理场协同CAE仿真软件，仅对剖面B-B面的螺栓，建立了有限元实体模型，根据对称性，对*进行简化处理，可仅对结构的三十分之一进行建模。如图3。（a）*的三十分之一（b）LB与AZZ间的螺栓连接（c）30的螺栓（d）螺栓柱与螺帽之间的圆角图9 30的螺栓连接几何模型3.2 有限元实体模型根据B-B面螺栓连接的几何模型，建立了有限元模型。采用20节点的186单元对有限元实体模型并进行单元网格划分，并使用扫掠为主的网格划分方法，获得了六面体为主的较为理想的有限元网格，为获得较为精确的仿真结果，并在关键部位进行局部加密。如图4所示。单元总数为62028个，节点总数为25
12、9647个。（a）*的三十分之一网格（b）LB与AZZ间的螺栓连接网格（c）30的螺栓网格（d）螺栓柱与螺帽之间的圆角网格图10 30的螺栓连接有限元模型3.3 载荷与约束根据M30螺栓连接结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束。*的顶部与立柱连接，*的顶部施加全约束。螺栓连接LB和AZZ，螺栓与LB、AZZ之间施加绑定接触，模拟预紧力作用下，螺栓与这两个部件之间的紧密连接；LB与AZZ之间施加粗糙接触，以允许两部件之间不能承受拉力，这样，*BD过程中，所有的拉力都有螺栓来承担。螺栓施加25.7KN的预紧力。由整体分析报告可知，四分之一*受到的载荷为F3：（28878.21-1715.64
13、1.5）9.8=182129.178N则*的三十分之一受到的载荷为F4：182129.1784/30=24283.89 N把F4施加在LFT与支臂连接的相应部位，方向为Y向负向。考虑到*BD到最底部时，受到4g的加速度，以及1.5倍的动载系数，Y的负向施加6g的加速度。载荷与约束如图5所示。（a）整体的载荷与约束（b） M30螺栓的预紧力图11 M30螺栓连接的载荷与约束示意图3.4 有限元应力分析结果为了模拟螺栓在预紧力作用下，*正常工作下螺栓的承载能力，分为两个载荷步。第一个载荷步中，螺栓施加25.7KN的预紧力；第二个载荷步：锁定第一步施加的螺栓预紧力，并施加F4的工作载荷和6g的加速度
14、。3.4.1 载荷步1：预紧力M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用下，螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图6（a）、（b）所示。螺栓的最大应力为107.04MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图6（c）、（d）。（a） 螺栓连接部件的整体应力云图（b） 螺栓连接部位的局部应力云图（c）螺栓的整体应力（d）螺栓的局部最大应力图12 M30螺栓载荷步1的分析结果3.4.2 载荷步2：预紧力+工作载荷M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用的基础上，施加相应的并施加F4的工作载荷和6g的加速度。螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图7（a）、（b）所示。螺栓的最大应力为141.81MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图7（c）、（d）。（a） 螺栓连接部件的整体应力云图（b） 螺栓连接部位的局部应力云图（c）螺栓的整体应力（d）螺栓的局部最大应力图7 M30螺栓载荷步2的分析结果3.5 M30螺栓疲劳校核分析结果由上一节可知，由于交变载荷的影响，螺栓的最大应力在107.04MPa141.81MPa之间交替变化，30螺栓的应力比:r=0.7548在交变载荷作用下，螺栓连接部件整体的等效交变应力，即疲劳应力幅如图8（a）所示。螺栓的最大应力幅为16.
