1 概述
为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等，Yl设备中，广泛地使用各种连接。其中，螺栓组连接最具有典型性，高强螺栓是Yl设备中常见的连接部件，起着连接各主要部件的作用。***的***主要由HB、LB、AZZ和LFT等四部分组成，各部分用高强螺栓连接，如图1所示。根据连接的工作载荷，分析各螺栓的受力状况，进行强度校核。***在BD过程中，高强螺栓是在交变载荷作用下工作的，除强度分析外，还需进一步进行疲劳分析。 | |
图（a）AZZ与LFT的螺栓连接 | 图（b）LB与AZZ的螺栓连接 |
图1 ***LB螺栓连接示意图 |
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……………………………设备制造有限公司，于2011年设计了***，对******的高强螺栓进行整体结构强度分析和疲劳校核，为顺利安全的生产运行提供数据支持。 2 材料参数
整体结构材料：Q235钢。材料力学参量为：材料密度为 =7.85 t/m，弹性模量E=2×10MPa，泊松比 =0.3。
螺栓的材料：合金钢。材料力学参量为：材料密度为 =7.85 t/m，弹性模量E=2×10MPa，泊松比 =0.3。疲劳特性参数如表1所示，S-N曲线如图2所示。
表1 疲劳曲线数据
序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
循环次数（N） | 10 | 20 | 50 | 100 | 200 | 2000 | 1E4 | 2E4 | 1E5 | 2E5 | 1E6 |
| 2879 | 2221 | 1586 | 1207 | 931 | 428 | 303 | 248 | 179 | 166 | 138 |
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***的高强螺栓先进行预紧连接，在预紧力的作用在，***拍动，在预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，螺栓还承受工作载荷。***BD过程中，螺栓仅受拉应力作用，***BD到最高点时，速度为0，瞬时向心力为0，此时螺栓仅受预紧力作用，***BD到最低点时，重力势能全部转化为动能，此时速度最大，螺栓承受的拉力最大。因此，螺栓承受在预紧力基础上的最大工作载荷作用，整个周期内，载荷交替变化，在交替载荷作用下，对螺栓进行疲劳分析。
使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)13.0中的疲劳分析模块Fatigue Tool，根据***的对称性进行疲劳分析。
A-A和B-B剖面都用的是M30的螺栓，其中A-A剖面为32个螺栓，B-B剖面为30个螺栓，预紧力为25.7KN 。C-C剖面用的是M24的螺栓（共计40个螺栓），预紧力为16KN。因此，分别对M30的螺栓和M24的螺栓进行结构应力和疲劳强度校核。
3 A-A剖面M30螺栓有限元分析
3.1 几何模型
由于***在BD过程中，仅受拉力作用，每个螺栓受到均匀的拉力。A-A面有32个M30的螺栓，需验证A-A面上螺栓的结构应力和疲劳强度。
使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)13.0多物理场协同CAE仿真软件，仅对剖面A-A的螺栓，建立了有限元实体模型，根据对称性，对***进行简化处理，可仅对结构的三十二分之一进行建模。如图3。
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（a）***的三十二分之一 | （b）LB与AZZ间的螺栓连接 |
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（c） Ｍ30的螺栓 | （d）螺栓柱与螺帽之间的圆角 |
图3 A-A面Ｍ30的螺栓连接几何模型 |
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3.2 有限元实体模型
根据A-A面螺栓连接的几何模型，建立了有限元模型。采用20节点的186单元对有限元实体模型并进行单元网格划分，并使用扫掠为主的网格划分方法，获得了六面体为主的较为理想的有限元网格，为获得较为精确的仿真结果，并在关键部位进行局部加密。如图4所示。单元总数为62028个，节点总数为259647个。
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（a）***的三十分之一网格 | （b）LB与AZZ间的螺栓连接网格 |
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（c） Ｍ30的螺栓网格 | （d）螺栓柱与螺帽之间的圆角网格 |
图4 A-A面Ｍ30的螺栓连接有限元模型 |
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3.3 载荷与约束
根据A-A面M30螺栓连接结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束。***的顶部与立柱连接，***的顶部施加全约束。螺栓连接LB和AZZ，螺栓与LB、AZZ之间施加绑定接触，模拟预紧力作用下，螺栓与这两个部件之间的紧密连接；LB与AZZ之间施加粗糙接触，以允许两部件之间不能承受拉力，这样，***BD过程中，所有的拉力都有螺栓来承担。
螺栓施加25.7KN的预紧力。
由整体分析报告可知，四分之一***受到的载荷为F3：
（28878.21-1715.6×4×1.5）×9.8=182129.178N
则***的三十分之一受到的载荷为F4：
182129.178×4/32=24283.89 N
把F4施加在LFT与支臂连接的相应部位，方向为Y向负向。
考虑到***BD到最底部时，受到4g的加速度，以及1.5倍的动载系数，Y的负向施加6g的加速度。
载荷与约束如图5所示。
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（a）整体的载荷与约束 | （b） M30螺栓的预紧力 |
图5 A-A面M30螺栓连接的载荷与约束示意图 |
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3.4 有限元应力分析结果
为了模拟螺栓在预紧力作用下，***正常工作下螺栓的承载能力，分为两个载荷步。第一个载荷步中，螺栓施加25.7KN的预紧力；第二个载荷步：锁定第一步施加的螺栓预紧力，并施加F4的工作载荷和6g的加速度。
3.4.1 载荷步1：预紧力
M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用下，螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图6（a）、（b）所示。螺栓的最大应力为106.56MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图6（c）、（d）。
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（a） 螺栓连接部件的整体应力云图 | （b） 螺栓连接部位的局部应力云图 |
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（c）螺栓的整体应力 | （d）螺栓的局部最大应力 |
图6 A-A面M30螺栓载荷步1的分析结果 |
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3.4.2 载荷步2：预紧力+工作载荷
A-A面M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用的基础上，施加相应的并施加F4的工作载荷和6g的加速度。螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图7（a）、（b）所示。螺栓的最大应力为133.45MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图7（c）、（d）。
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（a） 螺栓连接部件的整体应力云图 | （b） 螺栓连接部位的局部应力云图 |
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（c）螺栓的整体应力 | （d）螺栓的局部最大应力 |
图7 A-A面M30螺栓载荷步2的分析结果 |
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3.5 M30螺栓疲劳校核分析结果
由上一节可知，由于交变载荷的影响，螺栓的最大应力在107.04MPa~141.81MPa之间交替变化，Ｍ30螺栓的应力比:
r===0.7548
在交变载荷作用下，螺栓连接部件整体的等效交变应力，即疲劳应力幅如图8（a）所示。螺栓的最大应力幅为16.144MPa，出现在螺柱与螺帽连接部位，如图8（b）所示。
M30螺栓的整体疲劳寿命（Life）如图8（c）所示。显示的是疲劳作用，直到失效的循环次数。由图可知，螺栓的整体疲劳寿命，就是S-N曲线的最大循环次数1e6，达到无限寿命。
M30螺栓的整体疲劳安全系数（Safety Factor）如图8（d）所示。由图可知，螺栓的整体疲劳安全系数8.55~15，疲劳安全系数最小值为8.55，出现在螺栓与螺帽的连接部位。
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图（a） 螺栓连接部件整体的计算应力小柳树和小枣树教学设计 | 图（b） 螺栓的最大计算应力 |
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图（c） M30螺栓的疲劳寿命 | 图（d） M30螺栓的疲劳安全系数 |
维果茨基图8 M30螺栓的疲劳分析 |
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3 M30螺栓有限元分析
3.1 几何模型
由于***在BD过程中，仅受拉力作用，每个螺栓受到均匀的拉力。A-A面有32个M30的螺栓，B-B面有30个M30的螺栓，因此，仅需验证B-B面上螺栓的结构应力和疲劳强度。
使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)13.0多物理场协同CAE仿真软件，仅对剖面B-B面的螺栓，建立了有限元实体模型，根据对称性，对***进行简化处理，可仅对结构的三十分之一进行建模。如图3。
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（a）***的三十分之一 | （b）LB与雷海清AZZ间的螺栓连接 |
| 拉弗曲线 |
（c） Ｍ30的螺栓 | （d）螺栓柱与螺帽之间的圆角 |
图9 Ｍ30的螺栓连接几何模型 |
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3.2 有限元实体模型
根据B-B面螺栓连接的几何模型，建立了有限元模型。采用20节点的186单元对有限元实体模型并进行单元网格划分，并使用扫掠为主的网格划分方法，获得了六面体为主的较为理想的有限元网格，为获得较为精确的仿真结果，并在关键部位进行局部加密。如图4所示。单元总数为62028个，节点总数为259647个。
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（a）***的三十分之一网格 | （b）LB与AZZ间的螺栓连接网格 |
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（c） Ｍ30的螺栓网格 | （d）螺栓柱与螺帽之间的圆角网格 |
图10 Ｍ30的螺栓连接有限元模型 |
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3.3 载荷与约束
根据M30螺栓连接结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束。***的顶部与立柱连接，***的顶部施加全约束。螺栓连接LB和AZZ，螺栓与LB、AZZ之间施加绑定接触，模拟预紧力作用下，螺栓与这两个部件之间的紧密连接；LB与AZZ之间施加粗糙接触，以允许两部件之间不能承受拉力，这样，***BD过程中，所有的拉力都有螺栓来承担。
螺栓施加25.7KN的预紧力。
由整体分析报告可知，四分之一***受到的载荷为F3：
（28878.21-1715.6×4×1.5）×9.8=182129.178N
则***的三十分之一受到的载荷为F4：
182129.178×4/30=24283.89 N
把F4施加在LFT与支臂连接的相应部位，方向为Y向负向。
碳纤维布
考虑到***BD到最底部时，受到4g的加速度，以及1.5倍的动载系数，Y的负向施加6g的加速度。
载荷与约束如图5所示。
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（a）整体的载荷与约束 | （b） M30螺栓的预紧力 |
图11 M30螺栓连接的载荷与约束示意图 |
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3.4 有限元应力分析结果
为了模拟螺栓在预紧力作用下，***正常工作下螺栓的承载能力，分为两个载荷步。第一个载荷步中，螺栓施加25.7KN的预紧力；第二个载荷步：锁定第一步施加的螺栓预紧力，并施加F4的工作载荷和6g的加速度。
3.4.1 载荷步1：预紧力
M30高强螺栓在25.7KN的预紧力作用下，螺栓连接部件的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图6（a）、（b）所示。螺栓的最大应力为107.04MPa，出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位，如图6（c）、（d）。
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（a） 螺栓连接部件的整体应力云图 | （b） 螺栓连接部位的局部应力云图 |
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（c）螺栓的整体应力 | （d）螺栓的局部最大应力 |
图12 M30螺栓载荷步1的分析结果营销科学 |
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3.4.2 载荷步2：预紧力+工作载荷
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