螺栓联接是广泛应用于各种机械设备的一种联接形式，它具有联接可靠性高、联接强度高、可拆卸、能自锁等优点。当前结构设计朝着大型化、高精度、更高的可靠性方向发展，对于核心部件的联接，其强度分析至关重要，螺栓联接一旦出现问题，将直接关系到整个设备运行的稳定性和安全性。因此，开展对特种螺栓强度研究，实现结构系统整体匹配设计已经成为重要课题。目前关于螺栓联结的研究主要集中在单个螺栓的强度分析、疲劳设计、可靠性等方面，而把螺栓系统当成一个整体进行研究，涉及较少研究表明把螺栓置于一个系统进行分析，其工作载荷不仅有轴向方向的载荷，而且附带产生的复杂弯曲应力会削弱螺栓的疲劳强度，螺栓上弯曲应力的大小与螺栓自身的几何形状，特别是与螺栓上的预紧力有关。通过建立大型挂载起吊系统力学模型，采用有限元分析方法对系统进行接触分析计算，重点分析特种螺栓的强度以及部件之间接触面积，研究螺栓应力分布规律，为挂载起吊系统特种螺栓联接的正确设计提供实用的参考数据。
      大型挂载起吊系统中的螺栓采用特种螺栓联接，由上下抱箍、上下螺栓、上下螺母、连接螺套组成(内圈有螺纹与螺杆外螺纹配合)。圆柱通过2个专用对位装置和起吊横梁对接，并通过2个圆弧卡环卡住圆柱重物，抱箍用圆柱销栓接到起吊横梁板上，螺栓联结上下抱箍，整个系统不会发生转动，如图所示。表为挂载起吊系统的部分结构尺寸，其中螺栓为特种螺栓：危险截面最小直径21mm，与螺套接触处直径为36mm，与螺母接触处直径为45mm，螺栓总长度270mm。
      在工作过程中，挂载起吊系统只承受圆柱重力载荷，螺栓受到预紧力产生的轴向拉力和圆筒重力产生的弯曲力矩，是一个护扭合成的受力情况。联接中螺栓、螺母、抱箍、圆筒相互作用，且螺栓的拧紧过程受到端面摩擦及螺纹副摩擦状态的影响，挂载M为系统质量矩阵，c为系统阻尼矩阵，K为系统刚度矩阵，F为外激励力向量，x为系统加速度、速度、位移向量。
      根据实际使用情况得知，挂载起吊系统螺栓可断面为应力最大区域，存在着局部应力集中的现象。在有限元分析ABAQUS软件中，可断面区域采用二次完全积分单元模拟应力集中现象，非可断区域采用线性减缩积分单元模拟。螺栓、抱箍部件划分较密网格，圆筒为不关心区域，划分较稀网格，并处理成刚体。利用软件中的meshing模块采用结构化和扫掠方法，生成八节点六面体实体单元，共划分为67684个单元，82625个节点挂载起吊系统在实际安装中用圆柱销将抱箍与起吊横梁板栓接在一起，故抱箍约束定义为可绕圆柱销轴心线转动，其他自由度约束，提升装置中，圆筒有专门的定位装置，故圆筒约束定义为垂直方向自由，其他自由度约束，抱箍与圆筒、螺栓与垫圈、垫圈与抱箍相互之间定义成接触，螺栓与螺母、螺栓与螺套的螺纹连接处理成束缚连接，圆筒定义重力载荷，螺栓定义螺栓预紧力载荷，如图所示，其中Z轴为沿圆柱重物轴向方向，X轴为横截面(垂直于Z轴)水平方向，Y轴为横截面竖直方向。
      采用ABAQUS有限元分析软件对挂载起吊系统进行静态接触分析与仿真。模型圆筒质量4.5t，螺栓预紧力150Nm，弹性模量E为206000MPa，摩擦系数0.15，屈服极限685MPa。仿真过程分为3个载荷步进行(对应总仿真时间为3.5s)，其中第1个载荷步定义为微小螺栓预紧力，平衡建立接触关系，第2个载荷步定义螺栓载荷，第3个载荷步定义重力载荷。通过分析得到系统应力分布，如图所示。挂载起吊系统等效应力为301.6MPa，位于螺栓可断截面处，靠近圆筒侧，如图所示。沿着螺栓可断截面处取圆周路径，绘制等效应力曲线，曲线呈双波峰状，波峰区域为靠近圆筒侧，螺栓承受的压应力以及远离圆筒侧的拉应力分别为301.6，122.4MPa，整个可断截平面等效应力分布呈严重的偏载现象，如图所示。选取螺栓可断截面最大应力节点，研究螺栓在加载情况下的各种应力大小情况，如图所示。由图可知，螺栓最大主应力为335.9MPa，等效应力显示为301.6MPa，最小主应力为5.4MPa，3个截平面方向剪切应力分别为27.3.34.3.42.8MPa。由载荷施加条件知，1-2s为螺栓预紧力施加阶段，螺栓等效应力为264.4MPa，2.0-3.5s为在螺栓预紧力作用下重力施加载荷步，螺栓等效应力为301.6MPa。分析得知重力对螺栓应力影响较小，其增长幅度为14.07，故螺栓应力主要与预紧力有关，预紧力越大，螺栓等效应力增加越明显，重力对螺栓的影响主要为偏载现象，圆筒重力载荷产生附加弯矩使螺栓弯曲，产生少量弯曲应力。通过分析系统各部件之间接触面积(总面积为801.1m2)，研究螺栓应力截面偏载现象，得出各接触面偏载情况，如表所示。通过上述分析，考虑螺栓联接结构系统的接触特性和预紧特性，得到特种螺栓联接情况下的应力分布情况，反映了螺栓联接中可断截面的应力水平以及结构接合面在工作载荷下的真实状态。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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