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螺栓聯(lián)接是廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備的一種聯(lián)接形式，它具有聯(lián)接可靠性高、聯(lián)接強度高、可拆卸、能自鎖等優(yōu)點。當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計朝著大型化、高精度、更高的可靠性方向發(fā)展，對于核心部件的聯(lián)接，其強度分析至關(guān)重要，螺栓聯(lián)接一旦出現(xiàn)問題，將直接關(guān)系到整個設(shè)備運行的穩(wěn)定性和安全性。因此，開展對特種螺栓強度研究，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體匹配設(shè)計已經(jīng)成為重要課題。目前關(guān)于螺栓聯(lián)結(jié)的研究主要集中在單個螺栓的強度分析、疲勞設(shè)計、可靠性等方面，而把螺栓系統(tǒng)當(dāng)成一個整體進行研究，涉及較少研究表明把螺栓置于一個系統(tǒng)進行分析，其工作載荷不僅有軸向方向的載荷，而且附帶產(chǎn)生的復(fù)雜彎曲應(yīng)力會削弱螺栓的疲勞強度，螺栓上彎曲應(yīng)力的大小與螺栓自身的幾何形狀，特別是與螺栓上的預(yù)緊力有關(guān)。通過建立大型掛載起吊系統(tǒng)力學(xué)模型，采用有限元分析方法對系統(tǒng)進行接觸分析計算，重點分析特種螺栓的強度以及部件之間接觸面積，研究螺栓應(yīng)力分布規(guī)律，為掛載起吊系統(tǒng)特種螺栓聯(lián)接的正確設(shè)計提供實用的參考數(shù)據(jù)。
大型掛載起吊系統(tǒng)中的螺栓采用特種螺栓聯(lián)接，由上下抱箍、上下螺栓、上下螺母、連接螺套組成(內(nèi)圈有螺紋與螺桿外螺紋配合)。圓柱通過2個專用對位裝置和起吊橫梁對接，并通過2個圓弧卡環(huán)卡住圓柱重物，抱箍用圓柱銷栓接到起吊橫梁板上，螺栓聯(lián)結(jié)上下抱箍，整個系統(tǒng)不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，如圖所示。表為掛載起吊系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)尺寸，其中螺栓為特種螺栓：危險截面最小直徑21mm，與螺套接觸處直徑為36mm，與螺母接觸處直徑為45mm，螺栓總長度270mm。
在工作過程中，掛載起吊系統(tǒng)只承受圓柱重力載荷，螺栓受到預(yù)緊力產(chǎn)生的軸向拉力和圓筒重力產(chǎn)生的彎曲力矩，是一個護扭合成的受力情況。聯(lián)接中螺栓、螺母、抱箍、圓筒相互作用，且螺栓的擰緊過程受到端面摩擦及螺紋副摩擦狀態(tài)的影響，掛載M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，c為系統(tǒng)阻尼矩陣，K為系統(tǒng)剛度矩陣，F(xiàn)為外激勵力向量，x為系統(tǒng)加速度、速度、位移向量。
根據(jù)實際使用情況得知，掛載起吊系統(tǒng)螺栓可斷面為應(yīng)力最大區(qū)域，存在著局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在有限元分析ABAQUS軟件中，可斷面區(qū)域采用二次完全積分單元模擬應(yīng)力集中現(xiàn)象，非可斷區(qū)域采用線性減縮積分單元模擬。螺栓、抱箍部件劃分較密網(wǎng)格，圓筒為不關(guān)心區(qū)域，劃分較稀網(wǎng)格，并處理成剛體。利用軟件中的meshing模塊采用結(jié)構(gòu)化和掃掠方法，生成八節(jié)點六面體實體單元，共劃分為67684個單元，82625個節(jié)點掛載起吊系統(tǒng)在實際安裝中用圓柱銷將抱箍與起吊橫梁板栓接在一起，故抱箍約束定義為可繞圓柱銷軸心線轉(zhuǎn)動，其他自由度約束，提升裝置中，圓筒有專門的定位裝置，故圓筒約束定義為垂直方向自由，其他自由度約束，抱箍與圓筒、螺栓與墊圈、墊圈與抱箍相互之間定義成接觸，螺栓與螺母、螺栓與螺套的螺紋連接處理成束縛連接，圓筒定義重力載荷，螺栓定義螺栓預(yù)緊力載荷，如圖所示，其中Z軸為沿圓柱重物軸向方向，X軸為橫截面(垂直于Z軸)水平方向，Y軸為橫截面豎直方向。
采用ABAQUS有限元分析軟件對掛載起吊系統(tǒng)進行靜態(tài)接觸分析與仿真。模型圓筒質(zhì)量4.5t，螺栓預(yù)緊力150Nm，彈性模量E為206000MPa，摩擦系數(shù)0.15，屈服極限685MPa。仿真過程分為3個載荷步進行(對應(yīng)總仿真時間為3.5s)，其中第1個載荷步定義為微小螺栓預(yù)緊力，平衡建立接觸關(guān)系，第2個載荷步定義螺栓載荷，第3個載荷步定義重力載荷。通過分析得到系統(tǒng)應(yīng)力分布，如圖所示。掛載起吊系統(tǒng)等效應(yīng)力為301.6MPa，位于螺栓可斷截面處，靠近圓筒側(cè)，如圖所示。沿著螺栓可斷截面處取圓周路徑，繪制等效應(yīng)力曲線，曲線呈雙波峰狀，波峰區(qū)域為靠近圓筒側(cè)，螺栓承受的壓應(yīng)力以及遠離圓筒側(cè)的拉應(yīng)力分別為301.6，122.4MPa，整個可斷截平面等效應(yīng)力分布呈嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象，如圖所示。選取螺栓可斷截面最大應(yīng)力節(jié)點，研究螺栓在加載情況下的各種應(yīng)力大小情況，如圖所示。由圖可知，螺栓最大主應(yīng)力為335.9MPa，等效應(yīng)力顯示為301.6MPa，最小主應(yīng)力為5.4MPa，3個截平面方向剪切應(yīng)力分別為27.3.34.3.42.8MPa。由載荷施加條件知，1-2s為螺栓預(yù)緊力施加階段，螺栓等效應(yīng)力為264.4MPa，2.0-3.5s為在螺栓預(yù)緊力作用下重力施加載荷步，螺栓等效應(yīng)力為301.6MPa。分析得知重力對螺栓應(yīng)力影響較小，其增長幅度為14.07，故螺栓應(yīng)力主要與預(yù)緊力有關(guān)，預(yù)緊力越大，螺栓等效應(yīng)力增加越明顯，重力對螺栓的影響主要為偏載現(xiàn)象，圓筒重力載荷產(chǎn)生附加彎矩使螺栓彎曲，產(chǎn)生少量彎曲應(yīng)力。通過分析系統(tǒng)各部件之間接觸面積(總面積為801.1m2)，研究螺栓應(yīng)力截面偏載現(xiàn)象，得出各接觸面偏載情況，如表所示。通過上述分析，考慮螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的接觸特性和預(yù)緊特性，得到特種螺栓聯(lián)接情況下的應(yīng)力分布情況，反映了螺栓聯(lián)接中可斷截面的應(yīng)力水平以及結(jié)構(gòu)接合面在工作載荷下的真實狀態(tài)。
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