3-63  轴向载荷下螺栓连接结构变形和应力的三维有限元分析

尹益辉  余绍蓉

针对ISO公制标准三角形螺纹M8×1.25 mm的典型螺纹螺栓连接结构建立了三维有限元模型，模型中考虑了内、外螺纹等所有实际接触对之间的摩擦接触关系。对该模型进行轴向预紧和受外力作用下的变形和应力计算，得到了连接结构的轴向力与轴向变形之间的关系、位移和应力的分布图像及螺栓螺纹段最大等效应力随外力的变化规律。

其中轴向力与轴向变形之间的关系曲线与传统解析分析中的Rotscher曲线相应且类似，反映连接结构中残余预紧力与总轴向变形量之间是非单调的非线性变化关系，但与解析分析不同的是数值计算中考虑了被连接件轴向变形沿径向不均匀，而传统解析分析中假设了被连接件接触侧面为刚性面，因此数值计算中被连接件的轴向变形是随径向位置而变化的，而Rotscher曲线中的轴向变形不因径向位置的不同而不同。

计算所得位移图像表明了内、外螺牙发生接触相互作用的过程和各部件位移的空间分布特点，表明预紧后在外载作用过程中，由于螺牙的螺旋线特征，在拉长过程中螺栓的轴向位移没有轴对称性，横向位移没有关于过中线水平面的反对称性，但被连接件的位移具有近似的轴对称性。

计算所得应力图像表明整个连接件的最大等效应力出现在螺栓螺纹段上靠近螺母受载侧面的牙谷处。在被连接件上，几个接触面局部区域是等效应力较大的区域。总体上说，被连接件上的等效应力是近似轴对称分布的，但这种轴对称分布与传统螺栓连接结构设计中采用的被连接件的“当量圆筒”模型有一定差别。

由图1可见，对于所计算的结构模型和载荷情况，螺栓螺纹段上的最大等效应力随被连接件所受外力的变化是非线性的，变化曲线可分为三段：第一段是在外力很小时，螺纹段最大等效应力随外力增大而略有减小；第二段是外力较大时，螺纹段最大等效应力随外力增大而缓慢增大；第三段是外力进一步增大时，螺纹段最大等效应力随外力增大而快速增大。