复合材料单螺栓连接结构的预紧力.pdf
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1、第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.3Sept.2023文章编号:10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 42-0 6D0I:10.13340/j.cae.2023.03.007复合材料单螺栓连接结构的预紧力胡鹏12,江丙云13,鱼(1.万帮数字能源股份有限公司,江苏常州2 130 0 0;2.南京航空航天大学机电学院,南京2 10 0 16;3.浙江大学机械工程学院,杭州310 0 2 7)摘要:为精准获得单螺栓连接结构所需的预紧力,研究工艺参数对拧紧力矩-预紧力关系的影响,基于螺纹轮廊几何
2、表达式,采用Python语言对复合材料螺栓连接结构进行参数化建模,在验证模型准确性的基础上,采用有限元法分析摩擦系数、螺栓公称直径以及螺栓节距等参数对拧紧力矩-预紧力的影响。结果表明:螺栓节距对拧紧力矩-预紧力关系的影响较小;在扭矩为定值时,螺栓公称直径越小预紧力越大,但所能达到的最大设计预紧力也越小;摩擦系数对拧紧力矩-预紧力关系的影响最显著。关键词:复合材料;螺栓连接;参数化建模;工艺参数;预紧力;拧紧力矩中图分类号:TH131.3;TB115.1Preload of composite connection structure of single boltHU Peng2,JIANG B
3、ingyun-3,BAO Yidong”,LIU Junlei,YUAN Pengfei(1.Wanbang Digital Energy Co.,Ltd.,Changzhou 213000,Jiangsu,China;2.School of Mechanical and ElectronicEngineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;3.School of MechanicalAbstract:To accurately obtain the preload requi
4、red for the single bolt connection structure,the effect ofprocess parameters on the tightening torque-preload relationship is studied.Based on the geometricexpression of thread contour,the parametric model of single composite bolt connection structure is builtusing Python language.The accuracy of th
5、e model is verified,and the finite element method is used toanalyze the effects of parameters on the tightening torque-preload relationship,that includes the frictioncoefficient,the nominal bolt diameter,and the bolt pitch.The results show that the effect of bolt pitch onthe tightening torque-preloa
6、d relationship is little.When the torque is constant,the smaller the nominalbolt diameter,the greater the bolt preload,but the maximum design preload that could be achieved isalso reduced accordingly.The friction coefficient has the most significant influence on the tighteningtorque-preload relation
7、ship.Key words:composite;bolt connection;parametric modeling;process parameter;preload;tightening torque鲍益东,刘俊磊,袁鹏飞文献标志码:BEngineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 0 修回日期:2 0 2 3-0 3-2 8基金项目:国际科技合作项目常州市第十五批科技计划(CZ20210009);国家自然科学基金项目(5197 52 8 0)作者简介:胡鹏(1995一),男,安徽安庆人,
8、硕士,研究方向为数字化设计与制造,(E-mail)通信作者:江丙云(198 5一),男,安徽亳州人,高级工程师,博士,研究方向为数字化设计与制造,(E-mail)http:/cae ;smucae 第3期0 引 言螺栓连接是复合材料常用的一种连接方式,构件通过螺栓预紧力连接,预紧力的大小对连接的可靠性有重要影响,因此控制螺栓连接的预紧力对复合材料的结构连接具有重要作用2 。螺栓预紧力受多种因素影响。NASSAR等3 通过试验发现螺栓的拧紧力矩只有约10%转化为预紧力。张晓斌等4 通过试验研究不同尺寸钛合金不同安装环境和拧紧次数对扭矩系数的影响。郑劲松5 通过调整工艺参数,使得多个螺栓连接的螺栓
9、预紧力轴向一致性达到8 0%以上。FUKUOKA等6-7 通过试验与有限元分析比较,总结表面粗糙度和螺母加载面夹角对预紧力大小的影响规律,推导螺母转角与预紧力之间的关系。本文以复合材料单螺栓连接为研究对象,基于扭矩法对螺栓拧紧阶段进行数值模拟,研究支撑面和螺纹面摩擦系数、螺栓公称直径以及螺距对拧紧力矩-预紧力关系的影响。1螺纹连接结构参数化建模1.1螺纹几何轮廓数学表达式为提高数值模拟与实际结构的一致性,基于螺纹六面体网格建模方法8 ,分析螺纹外表面的数学表达式。沿螺栓轴线任意截取螺栓螺纹,其截面轮廓均相似,见图1。不同位置的截面相差一定的角H,十T28r(0,2)1=0=-d2H2Td7H2
10、8d5H,28Hd7H,+T28r(0,2)I=0=-dH2pm+28H2Td5H,28cae ;smucae 胡鹏,等:复合材料单螺栓连接结构的预紧力度,螺纹不同位置到螺栓轴线的距离r与截面柱坐标角度的关系见图2,其中:D-A为牙根部分,A-B和C-D为牙侧,B-C为牙顶。04B外螺纹牙顶C图1外螺纹垂直于螺栓轴线横截面轮廓2元D一0 4节距P一的C元H5HB482AH+p28图2 柱坐标下外螺纹与的关系假设图1取纵坐标为0 的截面,则该截面的轮廓线表达式为式(1),内螺纹垂直于螺栓轴线截面的轮廓线表达式为式(2)。d7H+28Hd43螺纹大径螺纹小径外螺纹牙根9RD一28一10齿根半径pP
11、000101 0 0202093d7H,284TP2T-0)?,20024元d7H,28(1)6304(2-0),4 20010 029,44482Thttp:/(2)44式(1)中:0 =/3元/P,02=7/8;0 3=9元/8;0 4=2-01;p/3P/12;H=/3P/2;d为螺栓公称直径。式(2)中:p为内螺纹牙根圆角半径,p./3P/24,取p,=/3/24;0=/4;2=m(1-/3p,/P)=7/8;0=(1+1+3pT=9元/8;0 4=2 -0 1=7/4;H=P/3P/2。1.2螺纹六面体网格参数化建模Abaqus软件划分六面体网格的数据存储在后缀为inp的文件中,其六
12、面体单元由8 个单元节点编号按照特定的顺序排列组合而成,每个节点编号对应一个空间坐标值。本文利用Python 脚本语言,根据式(1),每隔2/n(n 为螺纹周向的单元个数)角度提取一个点的坐标。将该组横纵坐标同时乘以系数k,得到第一层的节点坐标。在此基础上,将第一层的节点坐标向上平移并旋转一定的角度,得到第二层节点坐标。对2 层的节点坐标进行编号,按照一定的顺序存放在单元列表里,写人到Abaqus 的inp文件中以此类推,最终得到由高质量六面体单元划分的螺纹联接有限元模型。本文基于Python语言,通过上述理论方法编写程序内核,实现螺栓连接快速建模,同时开发复合材料螺栓连接结构建模的用户图形界
13、面,见图3。用户输人螺栓连接的各种参数以及复合材料板的铺层方向、厚度和材料即可快速建模,极大地提高工作效率。计算机辅助工程力-应变数据见表1。模型的被连接件为2 块复合材料板,其材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料CYCOM977-2-35-24K/IMS-194,单层厚度为0.18 8mm,共铺2 0 层,总厚度为3.7 6 mm,其力学参数参考文献9,具体见表2。复合材料板的尺寸见图4。表1Ti-6AL-4V材料塑性阶段真实应力应变真实应力/MPa1 070110111351 1621 1801 195表2CYCOM977-2-35-24K/IMS-194型复合材料的性能参数参数数值Eu/G
14、Pa156E2/Gpa8.35E33/GPa8.35V123.3V130.33V230.352023 年真实应变00.020.060.100.130.16参数数值Gi2/GPa4.2Gi3/GPa4.2G23/GP2.52100188HR.MR图4复合材料板试件尺寸,mm螺母外直径为16 mm,螺母高度为5mm,螺纹牙型角为6 0。复合材料板采用扫掠方法划分网格,确保扫掠路径沿厚度方向,网格类型为六面体网格2.2网格与边界条件采用上述参数化建模脚本建立螺栓六面体网格模型,螺栓螺纹规格为公制三角形螺纹M81.25,铺层设计几何尺寸设计复合材科辅回设复含材科版参数设面德园材料E料长度L/mm:10
15、0标科宽度Wvmm40板料厚实Hmm6定图3螺栓连接用户自定义界面2有限元仿真模拟与试验验证2.1材料属性建立有限元模型首先要保证参与计算的各个部件的材料模型准确。螺栓和螺母材料为Ti-6AL-4V,弹性模量为110 0 0 0 MPa,泊松比为0.3,真实应http:/螺栓几何参数爆性几何参教节距值PVmm=1.25绿母节胞数MM个4接栓节距数SM个10理控直径D/mm#母半经MRImm无爆按长度L2/mm经栓头长度Lmm5净徐头半径HRVmmB应用螺栓网格参数细注网格够数提性头网格层数NT1个5理栓无螺设网格图数N2/个节能网格层数N个16周网格欧RM个48退出C3D8R,最终单螺栓连接结
16、构装配的有限元模型见图5。螺纹下层复合材料板螺栓上层复合材料板螺母螺母整体结构图5单螺栓连接结构装配有限元模型cae ;smucae 第3期模型共有4个接触对:螺栓头部与上连接板接触对、上连接板与下连接板接触对、螺母端面与下连接板接触对,以及螺纹面之间的接触对。螺纹面摩擦系数设为0.13,支撑面摩擦系数设为0.10。模型边界条件见图6。上层板的右端和下层板的左端约束x、y 方向自由度,螺栓头部侧面完全固定,螺母侧面与参考点耦合,对参考点施加12 0 的转角。采用隐式算法进行计算。对螺母施加12 0 转角约束x方向自由度上层复合材料板完全固定螺栓图6 单螺栓连接结构有限元模型边界条件2.3亻仿真
17、结果与试验验证在工程应用中,拧紧力矩-预紧力关系的常用公式为T=KdF式中:T为对螺母施加的扭矩;K为扭矩系数,取K=0.10.3;d为螺纹公称直径;F为预紧力。拧紧试验平台的测量系统主要由拧紧轴、扭矩传感器和压力传感器组成。螺栓拧紧试验装置台见图7。扭矩传感器直接作用在拧紧轴上,可以实时监控拧紧过程中扭矩的变化,螺栓的预紧力大小通过压力传感器获取。图7 螺栓拧紧试验装置进行3组拧紧试验,试验操作通过扭矩扳手对螺母施加拧紧力矩,螺栓头通过止动单元约束旋转自由度。根据扭矩和压力传感器获得螺栓预紧力与扭矩的关系(为消除试验误差的影响,取3组试验结果的平均值作为最终试验数据),并与有限元模型的仿真结
18、果数据进行对比,结果见图8。拧紧力矩-预紧力关系近似为一条直线,与理论结果一致。试验与有限元的扭矩系数分别为0.2 0 1和0.19 6,试验结果与数值分析结果相近,误差仅为2.4%,说明该模型可以有效反应真实情况。3螺栓拧紧力矩-预紧力关系影响因素上述试验未考虑不同螺栓规格、不同润滑状态以及不同螺栓节距等因素对扭矩系数的影响,所获cae ;smucae 胡鹏,等:复合材料单螺栓连接结构的预紧力得的结论只适用于 M6规格螺栓。在工程实际中,不同的工艺因素也影响扭矩系数,因此进一步分析螺栓公称直径、螺纹节距和摩擦系数对螺栓拧紧力矩-预紧力关系的影响。16有限元14F试验(uN/x4米121080
19、64约束xy方向自由度20下层复合材料板-2图8 试验与有限元仿真拧紧力矩-预紧力关系曲线3.1虫螺栓节距对拧紧力矩-预紧力关系的影响根据螺栓节距的大小,螺纹可以分为粗牙螺纹和细牙螺纹。粗牙螺纹强度和刚度都较好,适用于大部分连接。细牙螺纹主要应用于需要螺牙自锁和(3)需要密封的情况。本文选择M6、M 8、M 10 和M12等4种螺栓,建立各自对应的3种不同螺距的有限元模型,共计12 种。有限元仿真得到不同规格螺栓的拧紧力矩-预紧力关系曲线,见图9。一节距1.0 0 mm(uN)/4米站.-节距0.7 5mm12F-节距0.50 mm80.节距1.2 5mm-节距1.0 0 mm010预紧力/k
20、N(c)M10图9不同螺栓的螺纹节距拧紧力矩-预紧力关系为方便分析比较,取每种螺栓扭矩为5Nm时螺栓所对应的预紧力,见表3。在扭矩一定的情况下,当螺栓节距减小时,预紧力增大,4种螺栓预紧力增幅度分别为1.9%、2.3%、5.0%、3.1%。由此可见,不同节距的预紧载荷相近,故在工程实际中,螺纹节距的选用应根据实际用途选取。3.2螺栓直径对拧紧力矩-预紧力关系的影响在弹性变形阶段,螺栓最大预紧力的计算公http:/4502预紧力/kN一节距1.2 5mm.节距1.0 0 mm1048预紧力/kN(a)M6节距1.50 mm204120一节距1.7 5mm节距1.50 mmF-节距1.2 5mm6
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