基于Solidworks螺栓联接中螺纹各牙的受载分析

0 引言

    螺纹联接是用来传递作用力及将机器零部件连接成一个工作整体的重要组成构件。目前，螺栓联接以其结构简单、型式多样、联接可靠、装拆方便、成本低廉等特征而在各类工程领域中得到广泛使用。但就是这种具有广泛使用性的联接方式，由于它固有的一些特性，使其正常的工作状态下的螺牙之间的载荷分布是不均匀的，而呈非线性状态，这种非线性分布势必导致螺纹的某个螺牙受载较高，而另外某个螺牙的受载较小，有数据表明，在工程实际中螺栓的疲劳断裂大多发生在螺母与被连接件接触面附近的螺纹根部。鉴于此种状况，本文拟对理想状况下正常工作的螺栓联接的螺纹受载情况进行相应分析，要精确计算螺栓联接中螺纹各牙的受力，则必须求解静不定的力分布问题，而有限元分析为处理螺栓联接中螺纹受载分布问题提供了一种可靠的方法，此外，是一个基于特征的、参数化的实体造型系统，该系统是目前CAD软件的主流趋势，依据中对模型的操作基于实体化，进一步研究了螺栓连接中螺纹各牙的受载状况。

1 螺栓联接模型

    目前，在各类工程领域中广泛使用的螺栓，其型号及精度等级有较大差异，故本研究选取在工程中使用较为广泛的一种螺栓联接作为研究对象，建立螺栓联接模型。具体而言，参照GB/T20668-2006《统一螺纹基本尺寸》选择M20性能等级为3.6级螺栓，GB6175-2000《2型六角螺母》选择性能等级3.6级的螺母作为研究对象。

    由于在构建模型以及模拟计算中，螺旋线螺纹的几何量参数过于庞大，普通计算处理存在一定的难度，为节省资源现将螺旋线螺纹模型做了如下简化：螺栓联接在正常工作状态时，可以把每一圈螺纹的受载在一个范围内看成是线性分布的，即将螺旋线螺纹的每一螺距单独分离出来并假设在这一螺距P上的载荷是均匀分布的，那么取这一螺距受载的中值将螺旋线螺纹减化为每一螺距P都是单独存在的离散分布的螺纹（见图1）。

    图1 螺栓联接中螺纹受载模型示意图

2 模型网格划分

    螺栓联接中螺纹受载模型的指定边界条件为：

    (1)将螺栓底部固定，假设被连接件为刚性，其各个方向的自由度固定。

    (2)为螺母施加一个已知的位移作为初始载荷输入，这个载荷根据M20螺栓正常工况下预紧力计算获得。选取性能等级为3.6级的螺栓，其预紧力为21714N，通过拉伸试验得出在该预紧力下螺栓的伸长量约为1.49×10-2mm。故可将已知载荷设定为螺母沿轴向发生1.49×10-2mm位移的载荷。