李金興 韓林山 周志強(qiáng)

摘 要：本文以1 600t造橋機(jī)為研究對(duì)象，采用SolidWorks軟件建立箱梁及螺栓群三維實(shí)體模型后，導(dǎo)入ANSYS Workbench對(duì)箱梁螺栓群進(jìn)行有預(yù)緊力的有限元分析。計(jì)算結(jié)果可以為螺栓接頭的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)表明采用有限元分析方法可以更加全面、準(zhǔn)確地指導(dǎo)架橋機(jī)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：ANSYS Workbench；高強(qiáng)螺栓群；有限元法；預(yù)緊力

中圖分類號(hào)：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）02-0090-03

Finite Element Analysis of High-strength Bolts Based on

ANSYS Workbench Under Preload

LI Jinxing HAN Linshan ZHOU Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources

and Electric Power， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In this paper， the 1 600t bridge machine was taken as the research object， the 3D models of box girder and bolts was established by SolidWorks software， and ANSYS Workbench was introduced to the finite element analysis of the bolt group of box girder. The calculation results provide a reference for the using of the high-strength bolts connection. At the same time， the finite element analysis method can be used to guide the design of bridge girder erection machine more comprehensively and accurately.

Keywords： ANSYS Workbench；high-strength bolts；finite element method；preload

造橋機(jī)也被稱為移動(dòng)模架，是一種利用自身模板，進(jìn)行逐孔移動(dòng)澆筑砼梁的施工機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于道路施工和橋梁建設(shè)工程[1]。其主梁為高腹板箱梁式結(jié)構(gòu)，各節(jié)箱梁間通過(guò)數(shù)量眾多的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接。在傳統(tǒng)計(jì)算方法中，假設(shè)螺栓為彈性體，其變形在彈性范圍內(nèi)，每個(gè)螺栓預(yù)緊力相同，結(jié)合面的壓強(qiáng)均布，被連接件為剛體，受載后結(jié)合面應(yīng)保持平面接觸[2]。實(shí)際上，由于連接板的彈性變形，各排螺栓受力差異很大，特別是螺栓數(shù)目較多時(shí)更加明顯。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，螺栓的取用偏安全性考慮，沒(méi)有完全發(fā)揮螺栓的性能，螺栓數(shù)量偏多。這不僅造成了螺栓浪費(fèi)，而且給制造和安裝帶來(lái)了很多麻煩。

本文針對(duì)跨度達(dá)43m的1 600t移動(dòng)模架造橋機(jī)為研究對(duì)象，利用Workbench軟件進(jìn)行有限元分析，得到精確的應(yīng)力分布狀況，完成應(yīng)用于箱梁結(jié)構(gòu)的螺栓群接頭的安全性校核，為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。

1 有限元模型的建立

單側(cè)主梁由5節(jié)箱梁段通過(guò)連接板和高強(qiáng)度螺栓連接而成。針對(duì)各節(jié)梁之間的位置特點(diǎn)，主要針對(duì)中間主梁接頭進(jìn)行分析。中間兩節(jié)下主梁接頭1，其蓋板采用M30B（10.9級(jí)）級(jí)螺栓連接，腹板使用M27B（10.9級(jí)）級(jí)精制螺栓，如圖1所示。

在SolidWorks軟件中完成連接板及螺栓螺母的實(shí)體模型，并裝配模型，將裝配后的模型導(dǎo)入Workbench。建立的實(shí)體模型如圖2所示。

2 邊界條件的設(shè)定

裝配后的模型導(dǎo)入到Workbench中，由于各個(gè)零部件相互分離，在劃分網(wǎng)格離散化后，邊界是相互分離的，無(wú)法進(jìn)行有限元分析，要對(duì)接觸面進(jìn)行處理[3]。在Workbench中，定義的接觸如表1所示。

由于高強(qiáng)度螺栓通過(guò)預(yù)緊力使各部件間出現(xiàn)摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)約束的效果。預(yù)緊力主要由于螺帽被擰緊，使螺桿受拉，將板件夾在中間，產(chǎn)生夾力，即預(yù)緊力。預(yù)緊力過(guò)大會(huì)使螺桿斷裂失效，過(guò)小則無(wú)法固定板件，使板件側(cè)移，螺栓松動(dòng)，結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。預(yù)緊力對(duì)高強(qiáng)度螺栓的承載力有著直接影響。高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力矩計(jì)算如下：

Mt=0.001KP0d（N·m） （1）

式（1）中，K表示擰緊系數(shù)，此處取3.2；d表示螺栓公稱直徑；P0表示預(yù)緊力。

根據(jù)施工規(guī)范，螺栓建議擰緊范圍為216～312N·m，因此接頭處的螺栓預(yù)緊力如表2所示。

螺栓預(yù)緊力可以通過(guò)預(yù)緊力單元或者Bolt pretension命令施加，將預(yù)緊力載荷鎖定，然后施加其他載荷，即通過(guò)定義2個(gè)載荷步來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力的加載。

因?yàn)楦邚?qiáng)度螺栓連接主要是依靠預(yù)緊力使板材間產(chǎn)生摩擦來(lái)約束板材，因此，對(duì)于墊片與螺栓頭、墊片與連接板以及連接板與主梁或?qū)Я喊宓炔课婚g的接觸類型應(yīng)選擇非線性接觸中的Frictional摩擦接觸，摩擦系數(shù)定義為0.3，螺栓與螺母間的接觸定義為綁定接觸。螺栓與連接板間的接觸示意圖如圖3所示。

在計(jì)算過(guò)程中，由于梁體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在分析時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，提高運(yùn)行速度，導(dǎo)入一半模型進(jìn)行分析。劃分網(wǎng)格線可以首先使用自動(dòng)劃分的粗糙網(wǎng)格，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)力集中的部位通過(guò)尺寸控制選項(xiàng)，加密網(wǎng)格；在實(shí)體模型的厚度方向上最好可以保證網(wǎng)格層數(shù)不低于2層，避免因?qū)嶓w單元只有3個(gè)自由度而引起的應(yīng)力過(guò)大。尤其對(duì)于螺栓孔，由于與螺栓間有定義的摩擦接觸且施加了預(yù)緊力，要進(jìn)行單獨(dú)加密，以保證計(jì)算結(jié)果的收斂性。

對(duì)主梁中間的單元載荷進(jìn)行提取，載荷如表3所示。將此截面的載荷的50%施加到模型，并對(duì)主梁接頭1側(cè)截面施加約束后，如圖4所示。

3 結(jié)果與分析

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，主梁接頭1的最大應(yīng)力為207.66MPa（見(jiàn)圖5），發(fā)生在連接板上，最大變形量為0.703mm（見(jiàn)圖6）。其中上蓋板螺栓應(yīng)力148.03MPa（見(jiàn)圖7），下蓋板螺栓應(yīng)力為144.28MPa（見(jiàn)圖8），側(cè)面螺栓應(yīng)力為111.09MPa（見(jiàn)圖9），箱梁連接板應(yīng)力為207.66MPa（見(jiàn)圖10）。其均在許用應(yīng)力之內(nèi)，滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)Workbench有限元分析軟件，完成對(duì)箱梁高強(qiáng)螺栓群的仿真分析，得出各部件應(yīng)力分布云圖。通過(guò)對(duì)計(jì)算過(guò)程及結(jié)果的分析可以得出，運(yùn)用有限元軟件可以提高計(jì)算效率，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，并為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王斌華，呂彭民，吳紀(jì)生.造橋機(jī)主梁高強(qiáng)連接螺栓群的有限元計(jì)算[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（1）：97-100.

[3]韓林山，於進(jìn)，鐘藝謀.基于ANSYS的胎帶機(jī)布料臂架全工況分析[J].施工技術(shù)，2013（18）：118-121.