3-25  应用有限元法对起吊螺栓的随机应力分析

何  英  韩秀杰  鱼胜利  胡  军

产品装配过程中起吊螺栓连接产品和吊具，完成产品上升、翻转和下降等操作。文中用ANSYS软件分析模块分析起吊螺栓的应力，并根据螺栓尺寸、物理特性和载荷的随机分布，得到应力的随机分布。

按照ANSYS软件的工作特性，在利用有限元进行零件的应力分析时，采用以下步骤：输入实体参数－建立实体模型－有限元求解－求取最大应力值－设定随机分析参数－应力随机计算。在有限元求解的前一部分与传统的定值分析是相同的，只是在建模时尺寸是采用输入参数化，后一部分是可靠性分析模块中的内容，主要是求取最大应力值和设定随机分布参数。

在常规的螺栓设计中，以螺纹小径计算螺纹应力，故在螺栓建模中，以螺纹的小径为直径建模，以一个锥面连接光杆和螺纹。产品在起吊过程中经历了垂直、水平和翻转过程，在垂直和水平状态的起吊过程中对起吊螺栓加载，分析起吊螺栓受力状况，取得最大等效应力。由ANSYS可靠性执行模块，用蒙特卡罗方法抽样计算。ANSYS将根据随机输入的数据进行抽样，重复执行上面求解过程，并得出应力的均值和方差。建模的尺寸以及载荷力都是以参数输入，尺寸和载荷的随机分布也直接导致了应力的随机分布。可靠性分析时，认为尺寸一般是正态分布，它的均值是尺寸的名义值。标准差用公差的1/3计算；载荷也按正态分布，均值为名义值，标准差用均值的0.06倍值计算。输入参数后，随机输出螺栓的最大应力值。

设定蒙特卡罗的重复次数，分别得到水平和垂直状态下螺栓应力的样本，如图1所示。

    用有限元进行应力的随机分析，可以替代试验和假设求解，从而解决了样本需求量大和经济花费大的问题。然而在有限元求解过程中，正确的建模和力学模型，及随机数据的正确输入是很关键的，它直接牵涉应力分析的正确性。用有限元分析后的应力，可作为下一步可靠性分析计算应力均值和应力方差的依据。