聶闖

摘 要：為了研究薄板件在螺栓裝配時的變形情況，通過有限元分析軟件ANSYS對薄板件結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，考慮結(jié)構(gòu)自重，模擬螺栓擰緊過程，對薄板件造成的變形進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了裝配力引起的薄板件變形及造成的應(yīng)力分布，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整機(jī)箱裝配方案，提高了機(jī)箱結(jié)構(gòu)在實際工程中的精確度與可靠性。

關(guān)鍵詞：機(jī)箱結(jié)構(gòu)；預(yù)緊力；ANSYS仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.196

1 引言

薄板件是現(xiàn)代工業(yè)工程中常見的結(jié)構(gòu)，比如大小型機(jī)箱、飛機(jī)機(jī)身以及汽車覆蓋件等，其裝配精度是反應(yīng)產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo)。薄板件有著重量輕、加工量小及易剪裁等優(yōu)點，但是其橫向抗彎能力差，厚度小，受力時易出現(xiàn)變形等問題也是工程中亟待解決的問題。有研究對鋁合金矩形機(jī)箱的組裝進(jìn)行改進(jìn)，通過選用表面定位方式，提高其表面及機(jī)箱結(jié)構(gòu)的完整性。還有學(xué)者分析了薄板件裝配時的誤差來源，并采用狀態(tài)空間法建立了多工位誤差傳遞模型，以汽車地板薄板件為例，驗證了該方法的有效性。當(dāng)薄板件采用螺栓連接時，螺栓預(yù)緊力的施加及螺栓的安裝順序都會使得薄板件發(fā)生不同的變形。本文通過建立某型號機(jī)箱的有限元模型，并模擬螺栓擰緊過程，通過仿真計算得到不同的螺栓安裝方案對薄板件的變形作用，并得出使得薄板件變形最小的螺栓安裝方案。以仿真結(jié)果作為實際安裝工程的指導(dǎo)，有效提高薄板件的螺栓裝配精度與可靠性。

2 機(jī)箱結(jié)構(gòu)建模

ANSYS軟件是一款綜合性的有限元分析軟件，其細(xì)化為非常多的專業(yè)模塊。在進(jìn)行靜力學(xué)分析時，ansys建模方便，網(wǎng)格劃分準(zhǔn)確，計算結(jié)果精確，操作方便。本文通過對機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析得到因螺栓預(yù)緊力造成的機(jī)箱薄板件在裝配時的表面變形、應(yīng)力分布等。本文的機(jī)箱結(jié)構(gòu)是由鋁合金組成，厚度為3mm，尺寸為600mm*400mm，連接方式包括焊接、鉚接和螺栓連接，在機(jī)箱每個面的邊緣各有4個螺栓。但在建模時為了減少計算量，忽略焊接點、鉚接的集中應(yīng)力影響。根據(jù)實際模型建立仿真模型，單元類型選擇shell，材料選擇鋁合金，密度為2700kg/m3，屈服強(qiáng)度為72000Gpa，泊松比為0.3，劃分網(wǎng)格時采用映射網(wǎng)格劃分法，由于shell單元劃分網(wǎng)格時比較簡單，可直接在ANSYS軟件中meshtool工具欄中設(shè)置網(wǎng)格單元大小或單元個數(shù)，并且施加全約束。重力通過設(shè)置重力加速度來實現(xiàn)，重力加速度在defineloads工具欄中設(shè)置。螺栓預(yù)緊力的施加方法有直接法、降溫法和滲透法等，本文選用降溫法。降溫法的基本思想是：把初載荷換算成對應(yīng)的溫度載荷加載的螺栓桿上。假定螺栓最初安裝的聯(lián)接件上不產(chǎn)生預(yù)緊力，當(dāng)螺栓上作用有負(fù)的溫度載荷（假定初始溫度為0）其他構(gòu)件溫度不變，這時螺栓必然收縮，螺栓必然受到一個拉力阻止其自由收縮，而被聯(lián)接件則受到壓力作用。通過換算使溫度載荷等效于螺栓上施加的初載荷，便可以模擬預(yù)緊力。

3 仿真計算

本文研究機(jī)箱某一面的薄板，在螺栓采取不同的順序擰緊及不同的螺栓預(yù)緊力施加方法時，薄板的變形情況。設(shè)置好各種參數(shù)后，利用ansys中分析計算模塊，進(jìn)行分析計算，并在后處理模塊中查看仿真結(jié)果。查看結(jié)果得到當(dāng)薄板的螺栓同時擰緊時，薄板的變形位移的均方根值最小，表面最平整；最大應(yīng)力為293Mpa，，最小應(yīng)力為46Mpa，均方根值為0.16mm。當(dāng)螺栓預(yù)緊力分為三步加載時，薄板的變形比一次擰緊螺栓時有明顯改善，其均方根值分別為0.158mm和0.254mm。說明薄板件在使用螺栓裝配時，螺栓的裝配方案會影響其表面精度；同時擰緊螺栓及螺栓預(yù)緊力分布加載都可以減小薄板的變形。

4 結(jié)論

本文通過仿真不同的螺栓分布及螺栓直徑的鋼板連接變形，對比實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

（1）在相同的螺栓預(yù)緊力施加方法下，螺栓擰緊順序會影響薄板件變形，同時擰緊螺栓變形最?。?/p>

（2）螺栓擰緊順序相同時，預(yù)緊力分步加載會減小薄板件變形；

（3）在進(jìn)行仿真分析時，薄板件板結(jié)構(gòu)只受到螺栓預(yù)緊力和重力的影響，未考慮熱變形與振動，有待進(jìn)一步研究。

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