一个仿真说明为啥螺栓加隔套有提高疲劳寿命的作用

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螺栓仿真分析

螺栓隔套及预紧力简介

在使用高强度螺栓时，有时可以看到螺栓配合垫片的同时会额外增加一个隔套，一方面隔套可以改变装配关系(方便装配或因为结构尺寸、功能等必须增加隔套)；另一方面当结构承受较大交变载荷时，通过增加隔套提高螺栓的长度可以提高螺栓的抗疲劳性能。图1为隔套：

图1.螺栓隔套

这篇文章主要通过分析及仿真来说明增长螺栓长度提高抗疲劳性能的原因。在模型方面，采用M8螺栓，加隔套的螺栓连接长度为36mm，无隔套螺栓连接长度为14mm，螺栓简化为光杆，不加螺纹，然后进行仿真对比。

图2.结构对比

螺栓连接时，预紧力或预紧力矩是一个重要参数，本文也列出了预紧力的计算方法及预紧力、打紧力矩的推荐表。

计算方法：

螺栓预紧力也可以根据其屈服强度计算，对于碳钢的螺栓，预紧力为屈服强度与截面乘积的60%-70%：

对于合金钢的螺栓，预紧力为屈服强度与截面乘积的50%-60%：

表1.预紧力及预紧力矩规格表

仿真分析

2.1理论分析

首先根据我的理解进行分析，在材料力学根据胡克定律，在螺栓公称直径及预紧力确定的情况下，因为刚度一定，所以在相同预紧力的情况下变形量是确定的。而应力计算的具体公式如下，由于变形量是确定的，所以当螺栓的连接长度L变长时，结构应变会变小，从而拉应力也会相应降低(以上为个人理解)。

同时在VDI-2230高强度螺栓连接系统计算中，也体现出了螺栓轴向力与长度变化的关系：

图3.VDI-2230螺栓载荷与长度变化关系

2.2仿真分析

网格划分：

还是在hypermesh中进行网格划分，接触面设置。网格采用六面体网格，通过图2的配合关系，在所有的接触面建立面集，并在螺栓连接中心面建立面集以便后续预紧力的施加：

图4.网格划分及建立面集

面集的建立方法如下(当然在abaqus中也可以比较方便的建立)：点击Analysis下的interfaces，进行命名及类型选择-surface_element，建立好后，在左侧结构树中选择建立好的面集，然后点击下面的ELEMENT进行面集所在单元的选择，具体如下：

图5.面集建立

a.材料设置

将hypermesh处理后的inp文件导入到abaqus中，针对螺栓材料采用弹塑性材料，具体如下(由于8.8、10.9等级别的螺栓弹塑性材料特性没有找到合适，采用Q235材料进行仿真-只仿真特性)，然后其他结构的材料只设置弹性特性：

图6.螺栓材料弹塑性特性

b.载荷步设置

然后建立静力通用仿真步，开启大变形，初始载荷步设置为0.01，最大设置为0.1，场输出和历史输出按默认即可：

图7.载荷步设置

c.约束设置

针对两种螺栓连接形式，首先螺母与螺栓间建立绑定接触约束，其他的螺栓-隔套、安装件-隔套、安装件-螺母等都建立接触：

图8.接触关系

绑定Tie的建立方法如下(已经建立好相应的面集)，然后建立其他接触关系，不再赘述：

图9.Tie建立的方法

图10.接触关系建立

d.载荷和边界设置

关于载荷和边界本次仿真采用两种方式，由于前面理论分析中，根据胡可定律，相同公称直径的螺栓在想通过预紧力下认为其变形量是相同的，所以第一种方式是给加强制位移载荷；第二种方式是加螺栓预紧力。图11中左侧为强制位移，右侧为加的螺栓预紧力(加载界面为连接长度的中心位置，看起来正好与隔套-安装件接触界面重合了)，然后都在螺母下表面建立固定约束-约束节点三个平动自由度：

图11.加载方式

本次仿真螺栓预紧力采用直接施加螺栓载荷的方法，具体如图12(施加载荷的面集已经建立好)，M8螺栓预紧力设置为13000N。

图12.螺栓预紧力施加

这样就基本完成了有限元模型的建立，其中不加隔套的螺栓连接也采用同样的方法进行约束、边界的施加，然后提交计算后进行对比分析。

仿真结果对比

首先我们来看下加强制位移载荷的最大主应力结果：

图13.强制位移下最大主应力结果

从图13可以看出，长螺栓根部主应力为349Mpa，短螺栓为546Mpa。加隔套螺栓的最大主应力小于未加隔套螺栓的最大主应力，因此在交变载荷下，加隔套螺栓的应力幅会相应的降低。

然后我们在看加预紧力的仿真结果(预紧力调整为16000N)：

图14.螺栓预紧力下最大主应力结果

从图14可以看到单纯的加预紧力，两种连接方式拉应力差别不大，主要加预紧力的方式是通过载荷施加，螺栓长度基本没发生变化，应力变化不大，且预紧力加载界面处的应力与实际也是失真的，这种方式能比较好反应螺栓连接装配下的接触关系，但螺栓杆的应力变化与实际有差别(个人想法)。然后在预紧力基础上再加0.3mm的强制位移计算仿真结果如下：