液压手动张拉机参数化有限元零件分析

在重型机械特别是大型化工机械、可拆卸的压力容器及大型压力机等设备的装配中,常常需要大型螺栓连接,以保证联接件间的有效、可靠的联接,并确保其刚性和稳定性,而螺栓预紧力是保证螺栓联接质量的重要因素。通常直徑较小的螺栓主要靠扳手拧紧螺母来实现预紧,而大型螺栓一般靠榔头敲击扳手或采用液压扳手的方法,重要设备也可以采用螺栓加热的方法来实现预紧。

拉伸杆是液压手动张拉机的关键部件,在实现大型螺栓预紧的过程中承受了较大的拉伸力,故对其刚度和强度的要求较高。因此有必要对拉伸杆实现有限元参数化算法校核其刚度和强度。

一、液压手动张拉机的工作原理

如图1所示,液压拉伸预紧技术利用液压拉伸器完成螺栓的预紧工作,其工作原理是电动油泵输出的高压油经高压软管输送至液压缸4,液压缸4在预定的压力作用下,产生拉伸力并通过拉伸杆1作用在被拉伸螺栓6上,随着活塞杆的运动,将被拉伸螺栓6拉伸达到某一伸长量(在材料的弹性范围内),这时,被拉伸螺栓6与螺母8之间出现缝隙,拧紧螺母8后,松卸加在螺栓上的载荷,完成螺栓的预紧工作。为了使螺栓的预紧力均匀,满足密封要求,必须确保每个螺栓的伸长量均在计算允许的范围内,若某个螺栓的伸长量超长,则需进行调整拉伸操作。

二、参数化有限元建模过程

1. 拉伸架有限元模型

为了实现零件的有限元参数化建模,在PCL语言读入文档中拉伸架的关键参数,读入语句为

parametric_modeling_util.define_user_config_file ("ZTB.txt")

在“ZTB.txt”文件预先写入被拉伸螺栓直径M、拉伸螺栓旋合长度L、螺栓预紧力F。并且在PCL文档里编制读取参数信息,其语句为

读入参数后由PCL语言自动实现建模、划分网格。以及根据拉伸杆受力情况在液压缸作用螺栓处建立MPC单元施加预紧力、在被拉伸螺栓连接处添加约束。得到当前模型的有限元计算模型如图2所示。

2.参数化计算过程

通过PCL语言实现拉伸杆模型自动提交分析并且读入分析结果,其PCL语句如下:

analysis_import( "MSC.Nastran", "lashenjia", "Attach Results File No Job",@

"./lashenjia.xdb", TRUE )

三、参数化计算结果分析

根据大型螺栓的不同型号对应了拉伸杆的不同结构,本文针对使用50KN预紧力预紧M72、M80、M90三种型号的大型螺栓时所使用的拉伸杆结构利用参数化有限元方法进行了应力应变分析(本文省略了mises应力云图和拉伸杆变形云图)。

拉伸杆不同规格的应力、变形计算结果如表1所示。由mises应力云图可知拉伸杆的最大应力均出现在与被拉伸螺栓连接部分的退刀槽处,大小均在270MPa左右。该位置由于发生了几何尺寸突变故产生了较大的集中应力,该现象可以用圣维南原理得到解释。由表1可以看出随着被拉伸螺栓直径的增大,拉伸杆的应力和变形都不断增大。

当施加在拉伸杆上的预紧力超过螺栓的弹性极限,即拉伸杆的相对伸长量大于弹性伸长量εE时,拉伸曲线不再是直线,这时拉伸杆的变形也不再是弹性变形。因此,在进行拉伸时,如果液压缸的压力过大,就会使拉伸杆的拉伸变形超过弹性范围,对拉伸杆造成损害。油压与相对伸长量的关系图如图3所示。为此,必须根据计算结果确定合理的油压p。可以通过大量的参数化有限元计算不同型号、不同油压P产生的预紧力产生的拉伸变形得到拉伸杆的变形曲线从而得到弹性变形范围。

图3液压缸油压p与相对伸长量ε的关系

1)利用MSC.Patran和PCL语言实现了拉伸杆分析计算的参数化,节约了大量计算时间,消除了重复工作。

2)对预紧几种大型螺栓所使用的拉伸杆进行了参数化应力应变计算,并分析其计算结果。

3)提出了一种基于参数化有限元计算来确定油缸与拉伸杆相对伸长量关系的方法。

(作者单位:重庆大学)

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