Q460高强钢螺栓接头受力性能分析与评价

在试验研究的基础上,对Q460高强钢螺栓横排和纵排连接接头的应力分布、破坏模式、螺栓受力及承载性能进行了有限元模拟,并与EC3规范关于孔壁承压、螺栓抗剪、净截面破坏及板件撕裂的理论计算值进行了对比。研究结果表明:有限元分析的荷载位移曲线规律及连接接头的极限承载力与试验结果基本吻合。当螺栓横向布置时,两孔受力较均匀,应力云图及塑性区域呈对称分布,拟合曲线点分布较离散,采用EC3规范理论计算值富裕度较大;当螺栓纵向布置时,两孔受力不均,端部螺栓孔变形较大,EC3规范计算端部螺栓和中部螺栓承载力均比较准确。本研究可为高强钢螺栓连接设计方法提供数据参考。     

近海钻井平台管状接头应力分析的进展

1.引言由管状构件组成的部分平台结构,常常在联接处发生破坏(脆性断裂或疲劳断裂)。这些联接处常常是高度应力集中区域,应力分布颇为复杂。而这些高应力正是引起管状接头破坏的主要因素。因而联接处的最大应力(热点应力)的大小与位置,是人们近20年来广泛研究的对象。目前研究管状接头应力分布的方法,主要有计算方法与实验方法。计算法主要包括解析法、半解析法、经验公式与有限元法;实验法包括钢模电测法、塑模电测法与光弹性测量      

弹性波在螺栓搭接结构中传播行为的数值模拟

为了建立有效的基于弹性波的螺栓连接损伤检测方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为至关重要。本文针对典型单螺栓搭接薄梁,采用非线性多物理场耦合有限元仿真方法,研究弹性波在连接结构中的传播行为。采用ANSYS中压电耦合单元建模MFC压电传感器,非线性接触单元建模螺栓连接结构,将接触面之间考虑为考虑摩擦接触的非线性关系。依次对螺栓施加预紧载荷,对结构施加模拟电压激励,进行非线性瞬态波传播分析。同时,本文对仿真结果进行了实验验证。结果表明,本文建立的有限元模型和分析方法能够有效地模拟弹性波在连接结构中的传播过程,数值预测的响应电压和实验结果吻合较好。针对非线性模型计算耗费大的问题,本文对非线性模型进行了线性化改进。具体为采用准静态接触有限元分析确定对接面有效接触面积的大小,然后将接触面积上对应节点绑定,进行线性瞬态波传播分析。结果表明:本文的线性方法能够有效模拟波传播过程,并能有效降低计算耗费;弹性波在连接梁中传播时,经过连接界面和螺栓位置时,传播路径、波形、幅值都发生了较大的变化。     

螺栓连接的梁–弹簧模型及各齿承载分布

螺栓各齿承载分布严重不均，内外螺纹啮合的第一齿承载较大且齿根存在应力集中，易造成螺栓杆横断失效。本文通过对螺栓连接的受力变形分析，建立梁–弹簧模型，推导了理论模型的力学方程组，并基于此模型编程计算，求解得到螺栓连接件在使用过程中各齿承载的分布情况和齿根应力集中系数。最后进行有限元仿真，对比理论模型和有限元的结果，两者误差在工程可接受范围之内。研究表明，螺栓连接的组合梁–弹簧模型是合理有效的。     

层合板预紧螺栓搭接孔边应力分析

针对复合材料层合板预紧螺栓单板搭接和双板搭接结构,分别建立了全尺寸三维有限元模型,应用非线性接触算法模拟螺栓连接,采用Prets179预紧力单元施加螺栓预紧力.通过分析两种搭接形式在不同预紧力下的孔边应力分布,得到了预紧力与孔边拉应力以及预紧力与孔边层间应力的关系曲线.分析表明:随着螺栓预紧力增加,层合板孔边拉应力水平不断降低;双板搭接的孔边应力明显低于单板搭接的孔边应力.     

集簇式刚性连接组合梁桥的力学性能分析

为了研究任意荷载作用下集簇式刚性连接工字钢-混组合简支梁桥的应力和位移分布,首先将组合梁桥的三维结构简化为层合的二维弹性力学平面应力问题,分别求得各层简支梁的弹性力学解,然后用集中力替代集簇式刚性连接件对结构的作用力,根据梁桥表面的受力条件以及界面处位移和应力的衔接条件,确定待定未知量,从而得到组合梁桥的应力和位移分布函数.与有限元结果比较显示了该数值解具有很高的精度,参数化分析揭示了集簇式刚性连接组合梁桥的力学特点并且提出了簇钉间距的合理范围,研究结果为新型组合梁桥的工程设计提供了科学的理论依据.     

大功率电力机车车体与变压器关键部位强度计算及设计

采用有限元方法对世界最大功率货运电力机车的车体和变压器关键部件强度进行了计算,车体结构用壳元和空间梁单元进行模拟,对作为支撑的高圆簧用刚度等效的圆柱薄壳进行模拟,并根据计算结果以及拓扑优化结果对车体关键受力部位进行了重新设计,设计之后的车体结构基本满足相关要求.车体计算模型共划分了约34万个节点,自由度总数超过200万.对主变压器的关键受力部件进行了进一步计算,变压器拉螺杆使用3节点轴对称单元、吊装螺栓使用四面体单元进行模拟.结果显示,对于拉螺杆以及厚薄螺母的接触,第一匝接触螺纹的应力最高,而后每一匝螺纹上的应力逐渐降低.吊装工况下变压器高应力区域主要发生在吊装螺栓附近,且同一安装座上的吊装螺栓应力分布是不同的.     

输电杆塔螺栓连接区域局部结构有限元分析

利用ABAQUS有限元软件建立了500k V同塔双回输电线路塔线耦合体系模型,在不同脱冰率情况下对塔线体系的动力响应进行了数值模拟。分析了杆塔在各脱冰率下的受力情况并结合现场倒塔情况,确定了杆塔危险区域,建立了该危险区域局部结构三维有限元模型。将由塔线体系模型计算得到的危险区域边界的力施加于三维局部模型上,计算了该区域在导线脱冰过程中的应力。模拟研究连接螺栓预紧力不同的情况下危险区域的应力和变形,发现螺栓预紧力减小时杆塔容易破坏,这一结论对输电杆塔的设计和安装具有指导意义。     

大孔径静态破碎膨胀压力特性及布孔参数分析

大孔径静态破碎与传统静态破碎有着显著的不同。利用电测法测量了直径40和100 mm钢管中的破碎剂膨胀压力和温度,对比分析了两种工况下的不同现象。实验表明,孔径的增加能够提高膨胀压力,加快反应速度。基于实验的数据,利用有限元方法计算了静态破碎时钻孔周围岩石介质中的应力分布。基于实验数据和有限元数值计算结果,使用数据拟合方法对静态破碎时岩石中的应力分布弹性模型进行修正,得到了应力分布方程。利用该方程推导的布孔参数计算公式,适合运用于实际工程之中。     

刚构连续梁桥墩梁固节点结构的光弹性试验及有限元分析

某铁路特大桥的主桥部分采用预应力混凝土刚构连续梁桥,本文采用光弹性模型冻结应力法对该刚构连续梁桥墩梁固节点结构进行了应力分析,给出了结构边界应力分布和主应力迹线。应用ANSYS软件对墩梁固节点实际结构进行了有限元计算。将实验与有限元分析结果进行了比较,结果表明,实验应力分析法与有限元数值法吻合较好。在有限元分析中,对墩梁固节点结构梁端加载边界的影响区进行了研究,通过合理选择梁的长度可以有效减小局部应力。模型实验和有限元计算的结果为结构的优化设计提供了重要的依据。     

螺栓连接结构的爆炸冲击破坏

为了建立真实可信的螺栓连接破坏模型,利用瞬态分析软件LS-DYNA分析了螺栓连接部件在爆 炸冲击下的破坏情况,提出了简化破坏模型的建立方法。建立了M24螺栓连接3维有限元模型,使用部分降 温法进行了螺栓预应力的加载,然后结合弹塑性材料本构模型和面-面接触算法计算了在不同爆炸冲击情况 下有、无预应力螺栓和螺栓-螺母连接的变形破坏情况。根据计算结果总结了冲击波入射角度和预紧力大小 对螺栓连接破坏的影响规律,并建立了螺栓连接结构的简化破坏模型。最后提出了提高螺栓连接抗冲击能力 的一些措施,为设备整体抗冲击计算模型的建立及抗冲击设计提供参考。     

带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑有限元参数分析

提出了一种新型变截面可更换耗能梁,控制塑性变形集中在耗能区域中,通过扩大截面与框架梁采取翼缘和腹板螺栓拼接连接,易于实现螺栓弹性设计,减小螺栓滑移,完成耗能梁端在地震作用后的更换。利用变截面可更换耗能梁段中部区域耗能集中与塑性变形优越的特性,结合高强钢的较大弹性变形,在偏心支撑钢框架中设置变截面可更换耗能梁段,形成带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑结构体系,通过有限元软件模拟验证了已有端板连接可更换耗能梁段试验,对比破坏模式、承载能力与耗能特性,以此为基础,建立了带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑结构有限元模型,通过循环加载研究了结构的承载能力、刚度、受力特点、塑性转角和塑性分布等受力机理。考虑了中间耗能区域长度(e)、钢材牌号组合和变截面可更换耗能梁段长度(e'')三个参数变化对结构抗震性能的影响规律。     

关于螺栓或销钉连接构件的弯曲应力分析

由于螺栓或销钉连接构件是一个静不定问题,相关材料力学教材把螺栓或销钉连接构件作为静定问题来处理,有时会导致螺栓或销钉连接构件的弯曲应力及螺栓或销钉剪力计算存在很大的计算误差.因此,按静不定问题来研究螺栓或销钉连接构件弯曲变形,推导出了螺栓或销钉连接构件的弯曲应力及螺栓或销钉剪力计算公式,对工程技术人员理解和掌握螺栓或销钉连接构件的弯曲应力及螺栓或销钉剪力计算有理论指导意义.     

螺栓连接件微动疲劳特性分析

工程中钢结构构件经常采用螺栓连接,被连接部位多处于复杂受力状态,单轴疲劳理论已无法满足该形式下构件的寿命评估需求.针对现有理论不足,本文建立了螺栓连接件有限元模型,研究了不同工况下被连接件微动疲劳裂纹萌生位置,并基于临界平面的多轴疲劳理论,比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接件的疲劳寿命.结果表明:(1)裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区,在相同螺栓预紧力下,该位置与施加的疲劳载荷大小无关;(2)基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置,其中SWT(Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好,大部分预测结果位于±2倍分散带之内,预测结果优于其他三种模型;(3)在规范规定的螺栓预紧力范围内,被连接件裂纹萌生区域距孔边的距离与预紧力大小无关,可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致,并且随着预紧力减小,被连接件的寿命预测值反而增大.     

一阶和二阶金字塔点阵材料等效弹性参数研究

本文通过分析一阶和二阶金字塔点阵夹芯结构的受力特点,研究了它们的等效弹性参数,得到了一阶和二阶芯体在受到3方向简单压缩及1、2方向单向剪切载荷时的等效弹性参数的解析解.此外,还分别建立了三维一阶和二阶点阵夹芯结构的有限元模型,并将有限元解与相同条件下的理论解进行了比较,验证了本文理论计算的正确性.     

基于应变能法的单搭接螺栓剪切模型

为了简化复杂结构在冲击数值分析中的大量螺栓连接,可用等效的载荷位移模型代替复杂的螺栓连接关系,本文中针对单搭接螺栓连接在剪切载荷下建立了连接本构关系。首先通过对有预紧力的单搭接螺栓进行实验和精细有限元模拟,揭示了螺栓剪切载荷位移曲线的特征并针对不同特征阶段进行了相应的物理机理分析。在此基础上对于载荷位移曲线的界面黏结、部分滑移、整体滑移阶段提出了连接本构模型的基本形式和各阶段的参数估算方法。在部分滑移阶段考虑了4个方面的刚度贡献,其中部件对螺栓的支撑刚度是三维非轴对称变形问题,理论求解非常困难,本文中通过应力分布研究,采用应变能法解决了螺栓的支撑刚度的估算问题。提出的单搭接螺栓剪切模型物理含义明确,参数估算简单,准确度高。     

断裂问题分析的Williams广义参数单元

结合Ⅱ型断裂问题.研究建立了裂尖区应力强度因子计算的Williams广义参数单元和过渡单元.结合Williams级数解和广义参数有限元法,研究建立了弹性断裂问题的Williams广义参数单元计算格式;同时为了方便连接奇异区的Williams单元和常规区域的普通等参单元,建立了过渡单元模型.结合算例详细分析了计算模型中径向高散因子、离散数以及Williams级数项对计算结果的影响,并给出了建议值,同时研究了矩形板尺寸对Ⅱ型应力强度因子的影响.证实了解析解的局限性.计算结果表明,由于Williams单元位移模型中含有与应力强度因子直接相关的参数,所以可以避免传统有限元法需通过其他物理量间接计算应力强度因子的缺陷,且Williams单元具有较高的精度,构造使用方便.     

螺杆钻具壳体连接螺纹结构性能分析与优化

考虑螺纹牙和基体的弹性变形,根据受力平衡方程和变形协调方程,构造线性方程组,建立了连接螺纹接头载荷分布特性的理论计算方法。采用迭代的方法,完成了全尺寸连接螺纹螺距P的优化,结果表明,针对连接螺纹螺距的优化极大地改善了螺纹牙载荷分布极度不均的现象,实现了螺纹牙均匀承载的变螺距结构设计。应用有限元分析方法分析了上扣扭矩状态下参数影响,结果表明,螺距P、牙高h等牙型参数全尺寸变化对提高强度性能效果不大,而降低前端几扣高度可以小幅提高连接螺纹接头的强度,但发生粘扣的风险却成倍增加。分析了外螺纹剪应力槽结构对连接螺纹性能的影响,并完成了相应参数优化。扭弯复合载荷作用下的连接螺纹接头应力分析表明,在产生弯矩的载荷作用下外螺纹受拉侧应力升高、受压侧应力降低,内螺纹则相反,环向Mises应力呈余弦函数分布。     

汽缸结构上下缸接触的有限元分析

采用有限元软件MSC／NASTRAN计算分析了汽轮机汽缸结构上下缸接触状态的应力分布和变形．分析了汽缸在温度场作用下以及温度场同内压联合作用下的应力分布情况，重点分析上下半缸的螺栓连接面——中分面上的应力和变形情况．建立了气缸三维实体有限元分析模型，并对每根连接螺栓均建立了模拟模型．分析结果表明，同内压引起的应力相比，热应力是缸体中应力的主要成分．当内外壁温差达到100℃时，缸体中最大应力为1230MPa，出现在约束处应力集中部位，缸体绝大部分应力水平在600-700MPa；汽缸外壁温度为250℃时，缸体中最大应力为1080MPa，缸体绝大部分应力水平在100MPa，得出减小汽缸内外壁的温差能有效减小缸体中应力的结论．分析表明，缸体轴向最大伸长量为2．55mm，横向最大变形为2．02mm．Z向最大位移为1．24mm．中分面有分离，但分离程度较小，分离值均在10^—3mm量级上．     

自动扶梯事故典型案例分析

 根据断口特征和受力状态分析,探讨了某品牌自动扶梯驱动主机与座板联接螺栓的疲劳破坏原因. 该螺栓疲劳断裂很可能缘于驱动主机系统的异常振动以及螺栓长度不足导致螺栓与座板啮合段螺纹根部的应力高度集中. 电机系统动力学特性分析进一步表明:系统之所以发生异常振动,缘于制造商对该系统联接方式进行的不当设计变更.