1. 背景簡介

Abaqus是國際上最先進(jìn)的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有強(qiáng)健的計算功能和廣泛的模擬性能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。無論是簡單的線性問題還是變化的接觸條件非線性問題，應(yīng)用Abaqus計算分析都能得到令人滿意的計算分析結(jié)果。

螺紋聯(lián)接廣泛用于飛機(jī)、汽車、船舶等各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中，螺紋聯(lián)接的松弛、螺栓斷裂和內(nèi)螺孔的銹死、螺紋滑牙斷裂等嚴(yán)重地影響著各種被聯(lián)接結(jié)構(gòu)工件的可靠性[2]。汽車螺紋副的裝配扭矩（簡稱汽車扭矩）與汽車的裝配質(zhì)量和安全性能有緊密的關(guān)系。由于汽車大部分零件的聯(lián)接、緊固是依靠螺紋副的聯(lián)接，并通過一定的扭矩來保證其緊固質(zhì)量。如果零件緊固形式失效，將會造成嚴(yán)重的質(zhì)量、安全事故。如當(dāng)扭矩過大，汽車在運動過程中，聯(lián)接部分出現(xiàn)過載的內(nèi)應(yīng)力，造成聯(lián)結(jié)螺栓斷裂或產(chǎn)生裂紋，發(fā)生事故。另外，聯(lián)結(jié)螺紋會出現(xiàn)滑牙，緊固形式失效；當(dāng)扭矩過小，聯(lián)接件松動，在汽車運動時產(chǎn)生的震動中，容易出現(xiàn)零件松脫，造成事故。

近年來，采用Abaqus/Standard對發(fā)動機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行可靠性計算應(yīng)用非常廣泛。利用CAE技術(shù)對螺紋連接機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，可以給設(shè)計及維修提供重要依據(jù)，這樣才能在前期設(shè)計階段設(shè)計出可靠的螺栓連接結(jié)構(gòu)。本文介紹了在某發(fā)動機(jī)正向開發(fā)過程中，針對發(fā)動機(jī)前罩殼上皮帶惰輪安裝搭子螺栓連接結(jié)構(gòu)可靠性，利用Abaqus/Standard軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并與試驗進(jìn)行了對比，說明了仿真 計算結(jié)果的正確性，指導(dǎo)了發(fā)動機(jī)螺栓連接可靠性設(shè)計，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

2. 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

前罩殼惰輪安裝搭子螺栓連接結(jié)構(gòu)螺栓采用普通粗牙，本次仿真計算采用Proe5.0建立實體幾何模型，考慮到螺紋副強(qiáng)度計算屬于精密部件計算，因此有必要考慮具體的螺紋連接結(jié)構(gòu)內(nèi)外螺紋的基本尺寸和內(nèi)外螺紋之間的配合公差，外螺紋的基本尺寸參考國標(biāo)《GB/T 196-2003 普通螺紋基本尺寸》進(jìn)行建模，根據(jù)螺紋副之間的配合公差參考國標(biāo)《GB/T 197-2003普通螺紋公差》對內(nèi)螺紋進(jìn)行建模，先分別建立各個部件模型，再對各個部件模型進(jìn)行裝配，獲得本次計算分析的準(zhǔn)確裝配實體模型。

2.2 材料參數(shù)的確定

本次計算中外螺紋為螺栓，其等級為 10.9 級，內(nèi)螺紋為發(fā)動機(jī)前罩殼上的皮帶惰輪安裝搭子，支撐結(jié)構(gòu)為惰輪，各部件的材料特性如表 1 所示。計算中考慮材料非線性及接觸非線性，接觸之間的摩擦系數(shù)為 0.15。

根據(jù)各部件之間的基本材料特性參數(shù)，通過疲勞計算軟件 FEMFAT 所自帶的材料庫及各部件成型工藝，擬合生成各個部件材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 1 所示。

圖 1. 螺栓連接結(jié)構(gòu)各部件材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 有限元模型的建立

根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)研究文獻(xiàn)[5]，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，將螺栓簡化為二維軸對稱模型，不考慮螺紋的旋程，螺栓規(guī)格為 M12*1.25，其中螺栓的旋合長度為 25mm。前罩殼惰輪搭子螺栓連接結(jié)構(gòu)簡化有限元模型如圖 2a 所示，網(wǎng)格劃分采用 Hypermesh13.0，單元數(shù)為60312，節(jié)點數(shù)為 62229，單元類型為 CAX4I，為保證計算結(jié)果的精確性，對內(nèi)外螺紋螺牙接觸面上的網(wǎng)格劃分時節(jié)點進(jìn)行了一一對應(yīng)，如圖 2b 所示。對螺牙根部進(jìn)行了網(wǎng)格加密。在初始分析步約束螺栓軸線所有節(jié)點 X 方向位移，同時約束前罩殼底部所有節(jié)點 Y 方向位移，在螺栓中間截面施加螺栓預(yù)緊力，螺栓預(yù)緊力的大小根據(jù)所選擇螺栓的等級確定，考慮到實際使用中螺栓預(yù)緊扭矩存在散差，本次計算螺栓的預(yù)緊力范圍為 25300N 到 36800N，計算中根據(jù)最大預(yù)緊力即 36800N 來確定螺栓連接結(jié)構(gòu)是否安全可靠，因此本次計算螺栓中間截面所施加的預(yù)緊力大小為 36800N。螺栓與上支撐、螺栓外螺紋與前罩殼內(nèi)螺紋、前罩殼與上支撐分別建立接觸對，接觸選用小滑移。

圖 2. 有限元模型

3. 計算結(jié)果及分析

3.1 螺栓應(yīng)力場計算結(jié)果

圖 3 給出了螺栓應(yīng)力場計算結(jié)果。從圖可以看出，整個螺栓的外螺紋都沒有出現(xiàn)屈服，且整個螺栓沒有出現(xiàn)斷裂風(fēng)險，螺栓頭部出現(xiàn)塑性區(qū)。因此，采用螺栓等級為 10.9 級的螺栓，可以確定前罩殼皮帶惰輪搭子螺栓連接結(jié)構(gòu)螺栓結(jié)構(gòu)可靠，螺紋不存在滑牙風(fēng)險，滿足設(shè)計要求。

圖 3. 螺栓應(yīng)力場計算結(jié)果

3.2 前罩殼搭子應(yīng)力場計算結(jié)果

圖 4 給出了前罩殼及內(nèi)螺紋應(yīng)力場計算結(jié)果。從圖 4a 計算結(jié)果可以看出，被連接件內(nèi)螺紋沒有出現(xiàn)全部塑性變形，只有倒數(shù)第三和第四牙沒有出現(xiàn)塑性變形，其余螺牙都有塑性變形，前四牙塑性變形的區(qū)域更大一些，其次凸臺根部也出現(xiàn)了很大的塑性區(qū)；從圖 4b可以看出，前罩殼內(nèi)螺紋前六牙最大應(yīng)力超過了材料的抗拉極限，因此內(nèi)螺紋前六牙存在斷裂風(fēng)險，并且前罩殼凸臺根部最大應(yīng)力也超過了材料的抗拉極限，凸臺根部也存在斷裂風(fēng)險。總之，結(jié)合圖 4a 和圖 4b 計算結(jié)果可以得出，前罩殼內(nèi)螺紋存在一定的滑牙風(fēng)險，然而，前罩殼凸臺首先斷裂，即前罩殼惰輪搭子凸臺斷裂先于前罩殼內(nèi)螺紋滑牙。

圖 4. 圖片標(biāo)簽實例

3.3 試驗結(jié)果

為了驗證 Abaqus/Standard 在發(fā)動機(jī)前罩殼惰輪安裝搭子仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對前罩殼惰輪安裝搭子螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擰緊試驗，試驗時將前罩殼固定，用扭矩扳手施加螺栓預(yù)緊力，直到前罩殼凸臺出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，此時記錄螺栓破壞力矩。圖 5 給出了試驗結(jié)果，可以看出惰輪安裝搭子凸臺出現(xiàn)了斷裂，且斷裂破壞力矩約為 50Nm，接近螺栓所施加的最大預(yù)緊力。對比試驗結(jié)果可仿真計算結(jié)果，可以看出試驗結(jié)果與 Abaqus/Standard 仿真計算結(jié)果相一致，即前罩殼惰輪安裝搭子凸臺先斷裂，且此時的斷裂破壞力矩與仿真計算中所施加的螺栓預(yù)緊力接近，說明了仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖 5. 前罩殼搭子凸臺斷裂試驗

4. 結(jié)論

本文用 Abaqus/Standard 軟件模塊對某發(fā)動機(jī)前罩殼惰輪安裝搭子螺栓連接結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了仿真計算分析，結(jié)果表明，搭子凸臺發(fā)生斷裂，進(jìn)一步與前罩殼惰輪安裝搭子破壞斷裂試驗進(jìn)行了對比，試驗結(jié)果與計算結(jié)果吻合較好，說明 Abaqus/Standard 可以用于螺栓連接結(jié)構(gòu)螺栓與被連接件斷裂和內(nèi)螺紋滑牙的可靠性仿真計算分析。

資料來源：達(dá)索官方