搜索使用COSMOSWorks對裝配體進行分析處理
2013-05-01 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
摘要:COSMOSWorks創新是指采用工程化的理念將專業分析人員難于使用但必須用于裝配體的各種接頭進行工程化分析,使普通設計人員也可以進行復雜的裝配體分析。本文針對螺栓使用的基本概念、理論和使用技巧提出了詳細地論述。
一、引言
接頭是一種用來定義某個面與另一個面或與地之間連接方式的裝置。在很多實際設計中經常會遇到接頭,并且使用它可以簡化建模的過程。在許多情況下,專業的分析人員可以直接模擬所需的行為,而不必生成詳細的幾何體或定義接觸條件。但是,盡管他們有專業的知識和經驗,進行裝配體分析仍然非常困難,并且需要消耗大量時間。例如模擬銷釘連接,專業的分析人員通常必須對穿過鉸鏈圓筒的銷釘進行建模,并定義銷釘和圓柱表面之間的縫隙接觸,然后才能開始真正的分析。他們需要有足夠智能的軟件為他們完成其中最困難的部分,這正是COSMOSW orks和COSMOSDesignSTAR所具備的,這兩個程序中包含虛擬的接頭,使得包括銷釘、彈簧、螺栓和螺釘裝配體的分析都變得非常輕松和快速。并且COSMOSWorks在精確度上沒有任何折扣,它提供簡潔的用戶界面,采用直接簡單的輸入,將許多以前由分析人員執行的任務放到軟件中執行,從而得到全面、精確的結果。
二、螺栓接頭概述
以傳統方式對螺栓和螺釘接頭進行建模和分析可以說非常困難,這是因為這種模擬必須考慮螺栓的預緊力和剪切力的影響。COSMOSWorks提供了可以處理此類分析問題的虛擬螺栓接頭,如圖1所示。用戶還可以了解螺栓上的軸向反作用力和抗剪反作用力,以確定螺栓大小;還可以確定特定螺栓大小所產生的鎖模力以及擰緊扭矩是否足以克服外部載荷。COSMOSWorks還內置了分析智能,設計工程師只需定義幾個必需的參數,即可讓程序執行復雜的計算。其中用戶必須定義的參數包括:與螺栓頭接觸的法蘭面、螺栓桿、螺母(如果該接頭為螺釘,則不需要螺母)、螺栓直徑、螺栓材料以及螺栓預載。如果用戶給出螺栓擰緊扭矩和扭矩系數以確定螺栓螺紋上的摩擦力,該軟件可以自動計算螺栓預載。
COSMOSWorks以簡單統一的界面來要求用戶確定螺栓連接方式、螺栓接觸面、螺栓直徑以及材料等項目,利用這些信息,COSMOSWorks就可以計算并給出確定螺栓大小所需的結果,并且所有這些輸入都可以在一個對話框中完成。在完成求解后,COSMOSWorks會提供以下結果:作用在該螺栓上的軸向力、剪切力以及扭矩。
COSMOSWorks還可以模擬接地螺栓的特性。例如紅綠燈柱上的螺栓的特性,在這種情況下,螺栓是嵌入到人行道的混凝土中的。對于接地螺栓,COSMOSWorks使用虛擬壁選項模擬混凝土地面,因而減小了分析模型的規模。
三、螺栓接頭有限元的實現原理
虛擬螺栓接頭雖然不提供關于螺栓/螺母上的應力分布的數據,但能提供螺栓對相鄰零件或整個裝配體的影響。如果螺栓/螺母上的應力分布非常重要,用戶便可以在對螺栓特性進行建模時包含螺栓和螺母的實體模型,然后使用接觸條件而不是虛擬螺栓接頭進行建模。
與銷釘接頭一樣,COSMOSWorks利用橫梁單元對螺栓桿進行建模,該橫梁單元通過剛性桿單元連接到螺栓頭和法蘭之間的接觸面,螺栓桿的另一端通過另一組剛性桿單元連接到螺母和法蘭之間的接觸面。該軟件通過對橫梁應用軸向力對螺栓預載進行建模,此處使用的橫梁單元是一個只承受張力的單元,它只抗張力而不抗壓力。如果螺栓桿直徑與法蘭上的孔直徑相同(即緊密配合),該軟件則會通過連接法蘭孔面和螺栓桿之間的剛性桿單元對抗剪效應進行建模。如圖2所示,螺栓特性是通過橫梁單元和桿單元進行建模。橫梁單元應由桿單元連接到螺栓接觸面上的所有節點,并且需要對螺母接觸面上的所有節點重復相同的過程。
四、螺栓連接的一般性假設
在COSMOSWorks中的螺栓連接是基于以下假設條件:
◎ 螺栓頭、墊圈和螺母的接觸面一直保持接觸,不會在剪切載荷下滑動(具有無限大的摩擦);
◎ 如果在螺栓選項中選擇了緊密配合選項,螺栓桿是通過剛性連接穿過通孔的,它們不能相對滑動或者在剪切載荷下變形;
◎在螺栓中無間隙或者彈性;
另外,在任何情況下,螺栓桿不需要與通孔相結合。
五、螺栓緊密配合選項
如果螺栓柄的半徑等于與其中至少一個零部件相關聯的圓柱面的半徑,則復選此選項。設定為緊密配合的圓柱面則被該程序設為剛性,它只與螺栓柄一起作為剛性實體產生變形。模擬結果取決于螺栓帶螺母還是不帶螺母。并且緊密配合選項必須選擇通孔,假設螺栓沒有徑向間隙,類似于“堵”上孔。實際上,COSMOSWorks保證了孔包圍著螺栓剛體,以致于無局部變形。這個結果造成螺栓/孔剛度過大,因此使用時需要小心。
如圖3所示,采用螺栓接頭和實體螺栓在受剪工況下結果有30%的差異,因此在受剪占主導的工況下,螺栓連接是非保守的。
六、螺栓預載荷的確定與實現
在螺栓模型的有限元分析中,預緊力是非常重要的參數。在COSMOSWorks中螺栓預載荷有兩種定義方法:軸向力和螺栓預緊力矩。
1.軸向預緊力
軸向預緊力的施加有相應的算法,這里不做詳細地論述。也可以采用以下的螺栓擰緊后的預緊應力經驗公式進行計算:對于一般機械:σ1=(0.5~0.7)σs;對于鋼結構高強度螺栓:σ1=(0.75~0.)85σs;對于航空航天緊固件:σ1≈0.35σs。
2.預緊力矩控制
軸向預載荷到預緊力矩的轉換使用以下關系:
螺栓包括螺母: Faxial=T/(K*D) 轉矩施加在螺母上;
螺栓不包括螺母: Faxial=T/(K*D*1.2) 轉矩施加在螺栓頭上;
其中系數1.2用于補償當螺栓頭被拉緊時螺栓桿的墊圈彈性回彈。
參數說明:T=施加的力矩,D=名義直徑,K=力矩摩擦系數。其中D為名義計算直徑,它和螺紋類型、螺紋螺距有關,并且有相應公式可以計算得到,這里不做具體介紹。其中K為力矩摩擦系數,對預緊力矩的影響較大。
其中D是螺紋標稱直徑;dm是螺紋的平均直徑;λ是螺紋升角tanλ= p/πdm (p是螺距);μ是螺紋的摩擦系數;μc是凸緣的摩擦系數(位于螺紋頭部);2α=螺紋角(梯形螺紋2α=29 ,ISO公制螺紋2α=60)。表1中附上的為在不同材料及相應潤滑狀態下的螺栓力矩摩擦系數。
3.螺栓預載荷的其他實現辦法
由于螺栓預載荷可以采用載荷指示墊圈進行控制,因此也可以采用過盈配合的方式實現螺栓的預載荷(如圖4所示)。
4.螺栓預載荷的控制方法
對于采用不同的預載荷控制方法,會造成不同的誤差,這對于實際運用預載荷和試驗比照影響較大,如表2所示。
七、實例分析:壓力容器的疲勞強度分析
如圖5所示,材料為“Aluminum Alloy 2024”的壓力容器將接受疲勞壽命的評估,它將遭受一百萬次的應力循環加載,每次壓力載荷和熱應力載荷壓力載荷都是0.145Pa,而熱應力載荷對應的熱流量是1500W/m2。
該問題采用對稱模型來簡化模型,先進行溫度場計算,然后計算熱應力和結構應力,中間考慮螺栓連接和接觸關系,最后進行兩個工況下的疲勞分析,得到最大損傷值為1.19。這顯然超過了結構的疲勞強?
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