一个仿真说明为啥合适的螺栓预紧力可以提高螺栓疲劳寿命

螺栓预紧的作用  

      在车间实习或工作时，都经历过打螺栓，在打螺栓时，师傅会告诉我们要打紧或用扭矩扳手测量扭矩来保证螺栓打紧。那么螺栓打紧的目的是什么呢？

• 增强连接的紧密性和刚性：通过预紧，保证连接件连接的紧密性，防止松动，提高结构的可靠性和安全性；

• 提高疲劳寿命：合适的螺栓预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，可以有效提高疲劳寿命。

图1.螺栓预紧

     本文将通过仿真解释为什么合理的预紧力可以提高螺栓疲劳寿命，首先通过简单的理论受力分析说明原因：

1.1首先来看无预紧力的情况：当图2中蓝色工件受到向上的拉力时，由于不存在预紧力，所以工件对螺栓端面产生向上的拉力，随F增大，f也随着线性增加，最终f=F/2。最大应力为S=f/A(A为螺栓截面积)，这个过程中应力幅为S/2。

图2.无螺栓预紧力情况受力分析

1.2然后再看有预紧力的情况：当螺栓拧紧时，工件不受外力F，以工件为研究对象，此时螺栓下端面对工件产生向下的压力f1，然后工件下端面受到连接面向上的压力F1，此时2F1=2f1。这时在工件上增加外力F，还以工件为研究对象F+2F1=2f1,

随外力F增加，连接面对工件的压力F1逐渐减小，直到F1变为0，这个过程中f1变化不大，而f1的值接近螺栓预紧力；然后再随着F增大，F=2f1+2f2，此时螺栓所受拉力变为f1+f2。而整个过程中的螺栓应力最大值依然为S(F/2A)，而最小应力为S0=f1/A，所以在有预紧力的情况下应力幅为(S-S0)/2，明显小于S/2。而在前面的疲劳分析介绍中(一步步熟悉结构疲劳分析计算-(1)疲劳的概念，一步步熟悉结构疲劳分析计算-(2)应力疲劳之SN曲线)，说明了应力幅对疲劳寿命的影响，在不考虑其他因素时，受小应力幅时，会产生较大的疲劳循环寿命。

图3.有螺栓预紧力情况受力分析

      后面通过有限元仿真说明这个过程。

仿真分析  

2.1模型前处理

      本次仿真 主要包含3部分：工件、螺栓、连接件，具体结构如图4，然后接触关系包括：螺栓与工件的接触、工件与连接件的接触、螺栓与连接件的绑定，然后基于接触关系建立面集。

图4.结构及连接关系

       结构材料方面，简单的设置弹性材料：弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3。

2.2相互作用关系-耦合及绑定

       由于后面的仿真中需要在工件上施加外力，所以首先在工件上建立一个参考点，然后在参考点和工件上部的节点建立耦合关系：

图5.耦合关系

        然后在螺栓与连接件间建立绑定关系，模拟螺纹连接：

图6.绑定关系

2.3建立载荷步

      有预紧力作用时，建立两个载荷步，一个载荷步作用螺栓预紧力，一个载荷步作用外力。有预紧力作用时，两个载荷步均开启大变形，设置合适的载荷步增量；在无预紧力作用力时，仅建立一个载荷步即可。

图7.载荷步建立

     然后在螺栓中选择一个单元建立一个单元集，便于后面仿真输出应力曲线：

图8.单元集建立

      最后在历史输出中新建一个输出，输出应力变化历程：

图9.建立历史输出

2.4相互作用关系-接触建立

     首先建立接触属性，包括切向属性和法向属性：

图10.接触属性建立

      然后在第一个载荷步建立接触关系：螺栓与工件的接触、工件与连接件的接触。

图11.接触关系建立

2.5载荷边界建立

      首先在连接件地面建立固定约束，约束1、2、3向平动自由度：

图12.固定约束

      然后在螺栓中施加螺栓预紧力，螺栓直径为4mm，施加3000N的预紧力，并且预紧力施加在第一个载荷步：

图13.螺栓预计力

      最后施加外部载荷，外部载荷施加在第二个载荷步，并且载荷采用正弦周期载荷：

图14.外部周期变化载荷

      设置完后，复 制一个模型，然后将螺栓预紧力去除，其他条件不变(注意调整载荷步设置)，然后对两个模型提交仿真计算。

结果分析  

3.1有预紧力结果

       首先来看有预紧力的仿真结果，在第一个载荷步中，任选螺栓中部的一个单元最大应力为263MPa。

    在第二个载荷步中，螺栓最大应力为347MPa

        通过以上两图可以看出，在预紧力的作用下应力幅大约为42MPa，而下图也为在第二个载荷步下螺栓单元集的应力变化曲线

3.2无预紧力结果

      而无预紧力时，在仿真过程中，任意选取螺栓中部的一点最大应力为362MPa，最小是0MPa。

      输出单元集的应力变化曲线：

      所以无预紧力时螺栓所受的应力幅为181MPa，远大于有预紧力时的应力幅，所以说施加合适的预紧力可以有效提高疲劳寿命。