算例丨基于ANSYS Workbench 有预紧力的螺栓群有限元分析

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本文以1 600t 造桥机为研究对象，采用SolidWorks 软件建立箱梁及螺栓群三维实体模型后，导入ANSYS Workbench 对箱梁螺栓群进行有预紧力的有限元分析。计算结果可以为螺栓接头的实际应用提供数据支撑，同时表明采用有限元分析方法可以更加全面、准确地指导架桥机的设计。

造桥机也被称为移动模架，是一种利用自身模板，进行逐孔移动浇筑砼梁的施工机械，被广泛应用于道路施工和桥梁建设工程［1］。其主梁为高腹板箱梁式结构，各节箱梁间通过数量众多的高强度螺栓进行连接。在传统计算方法中，假设螺栓为弹性体，其变形在弹性范围内，每个螺栓预紧力相同，结合面的压强均布，被连接件为刚体，受载后结合面应保持平面接触［2］。实际上，由于连接板的弹性变形，各排螺栓受力差异很大，特别是螺栓数目较多时更加明显。在实际设计中，螺栓的取用偏安全性考虑，没有完全发挥螺栓的性能，螺栓数量偏多。这不仅造成了螺栓浪费，而且给制造和安装带来了很多麻烦。

本文针对跨度达43m 的1 600t 移动模架造桥机为研究对象，利用Workbench 软件进行有限元分析，得到精确的应力分布状况，完成应用于箱梁结构的螺栓群接头的安全性校核，为下一步的优化设计提供基础数据，为其实际应用提供理论支撑。

有限元模型的建立

单侧主梁由5 节箱梁段通过连接板和高强度螺栓连接而成。针对各节梁之间的位置特点，主要针对中间主梁接头进行分析。中间两节下主梁接头1，其盖板采用M30B（10.9 级）级螺栓连接，腹板使用M27B（10.9 级）级精制螺栓，如图1 所示。

图1 螺栓群连接头

在SolidWorks 软件中完成连接板及螺栓螺母的实体模型，并装配模型，将装配后的模型导入Workbench。建立的实体模型如图2 所示。

图2 主梁接头1模型

边界条件的设定

装配后的模型导入到Workbench 中，由于各个零部件相互分离，在划分网格离散化后，边界是相互分离的，无法进行有限元分析，要对接触面进行处理［3］。在Work⁃bench 中，定义的接触如表1 所示。

表1 ANSYS 接触定义及特点

由于高强度螺栓通过预紧力使各部件间出现摩擦力来实现约束的效果。预紧力主要由于螺帽被拧紧，使螺杆受拉，将板件夹在中间，产生夹力，即预紧力。预紧力过大会使螺杆断裂失效，过小则无法固定板件，使板件侧移，螺栓松动，结构发生损坏。预紧力对高强度螺栓的承载力有着直接影响。高强度螺栓的预紧力矩计算如下：

式（1）中，K 表示拧紧系数，此处取3.2；d 表示螺栓公称直径；P0表示预紧力。

根据施工规范，螺栓建议拧紧范围为216～312N·m，因此接头处的螺栓预紧力如表2 所示。

表2 计算螺栓预紧力

螺栓预紧力可以通过预紧力单元或者Bolt preten⁃sion 命令施加，将预紧力载荷锁定，然后施加其他载荷，即通过定义2 个载荷步来实现螺栓预紧力的加载。

因为高强度螺栓连接主要是依靠预紧力使板材间产生摩擦来约束板材，因此，对于垫片与螺栓头、垫片与连接板以及连接板与主梁或导梁板等部位间的接触类型应选择非线性接触中的Frictional 摩擦接触，摩擦系数定义为0.3，螺栓与螺母间的接触定义为绑定接触。螺栓与连接板间的接触示意图如图3 所示。

图3 各接触面的接触处理

在计算过程中，由于梁体的对称结构，在分析时为了简化计算，提高运行速度，导入一半模型进行分析。划分网格线可以首先使用自动划分的粗糙网格，依据计算结果，对应力集中的部位通过尺寸控制选项，加密网格；在实体模型的厚度方向上最好可以保证网格层数不低于2层，避免因实体单元只有3 个自由度而引起的应力过大。尤其对于螺栓孔，由于与螺栓间有定义的摩擦接触且施加了预紧力，要进行单独加密，以保证计算结果的收敛性。

对主梁中间的单元载荷进行提取，载荷如表3 所示。将此截面的载荷的50%施加到模型，并对主梁接头1侧截面施加约束后，如图4 所示。

表3 主梁接头1 载荷

图4 主梁接头1 有限元加载模型

结果与分析

通过分析可以发现，主梁接头1 的最大应力为207.66MPa（见图5），发生在连接板上，最大变形量为0.703mm（见图6）。其中上盖板螺栓应力148.03MPa（见图7），下盖板螺栓应力为144.28MPa（见图8），侧面螺栓应力为111.09MPa（见图9），箱梁连接板应力为207.66MPa（见图10）。其均在许用应力之内，满足使用要求。

结论

本文通过Workbench 有限元分析软件，完成对箱梁高强螺栓群的仿真分析，得出各部件应力分布云图。通过对计算过程及结果的分析可以得出，运用有限元软件可以提高计算效率，能够为结构安全性评价提供理论依据，并为类似结构设计研究提供参考。