對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，常遇到螺栓連接情況。在設(shè)計(jì)中往往要對(duì)螺栓施加較大的預(yù)緊力，大預(yù)緊力的存在而引起的各部件間摩擦力的作用，使得結(jié)構(gòu)的傳力路線復(fù)雜化，應(yīng)用理論解進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析已經(jīng)成為一種有效的途徑。

輪胎車輪緊固螺栓是將車輪連接與底盤件的重要受力部件，一旦發(fā)生失效斷裂將使行車時(shí)遭致嚴(yán)重的損失。本文僅以某款車型鋁合金車輪M12 緊固螺栓為例，應(yīng)用前處理軟件對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)中的螺栓建立了三維實(shí)體有限元模型，采用ABAQUS軟件加載螺栓預(yù)緊力，最后應(yīng)用ABAQUS強(qiáng)大的非線性接觸算法，對(duì)比分析螺栓安裝孔分度圓直徑大小對(duì)螺栓在設(shè)定工況下的應(yīng)力分布影響。

有限元模型建立

建立的有限元模型包括：車輪、輪轂軸承、制動(dòng)盤、螺栓，螺母。其中，螺栓采用六面體實(shí)體單元建模，螺母采用四面體單元建模。在本文建模過程中，忽略了螺紋連接，僅在螺栓與螺母連接部位邊緣采用共節(jié)點(diǎn)建立連接關(guān)系。車輪、輪轂軸承，制動(dòng)盤采用殼單元建模，并賦予剛體屬性。

為了最大程度地模擬螺栓聯(lián)接的力學(xué)行為和應(yīng)力分布，將螺栓與制動(dòng)盤、輪轂軸承之間，制動(dòng)盤與輪轂軸承、車輪之間，輪轂軸承與車輪、車輪與螺母之間均設(shè)立面-面接觸關(guān)系，通過定義不同摩擦系數(shù)可以模擬不同連接條件。模型包括單元 429283 個(gè)，節(jié)點(diǎn) 772564 個(gè)，共計(jì) 19 個(gè)接觸對(duì)，示意圖如下圖 1 所示。

圖 1 計(jì)算模型示意圖

邊界條件及載荷

螺栓預(yù)緊力的施加

在模型中建立預(yù)緊力加載點(diǎn)并在螺栓中部創(chuàng)建加載面，預(yù)緊節(jié)點(diǎn)不應(yīng)屬于模型中的任何單元，并只有一個(gè)自由度，通過以下語句將預(yù)緊點(diǎn)與預(yù)緊力加載面關(guān)聯(lián)起來并加載預(yù)緊力：

 *PRE-TENSION SECTION,SURFACE=<預(yù)緊面名稱>,NODE=<預(yù)緊點(diǎn)編號(hào)>

 ……

 *CLOAD

<預(yù)緊點(diǎn)編號(hào)>,1,<預(yù)緊力大小>

在本文中對(duì)比分析預(yù)緊力為 55.22E3N 螺栓受力情況。

邊界條件的設(shè)定

在本文中只關(guān)注車輪緊固螺栓的應(yīng)力分布，為減少分析計(jì)算量將車輪、輪轂軸承、制動(dòng)盤均設(shè)置為剛體屬性。ABAQUS中剛體是節(jié)點(diǎn)和單元的集合體（離散剛體），單元的網(wǎng)格不能變形，但可以承受大的剛體位移，它們的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制，稱為剛體參考點(diǎn)。

工況載荷的加載

在本次分析中約束車輪輪心處剛體參考點(diǎn)DOF146，約束制動(dòng)盤中心處剛體參考點(diǎn)DOF1456，約束輪轂軸承中心剛體參考點(diǎn)DOF123456。

在車輪輪心處加載整體坐標(biāo)系下 Z 向單輪設(shè)計(jì)載荷，并取技術(shù)要求指定安全系數(shù)、加載 X 向地面提供摩擦力、加載 Y 向扭矩，模型約束與工況載荷示意圖如下圖 2 所示。

圖2 約束與工況載荷示意圖

靜力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算考慮材料非線性，建立 2 個(gè)分析步，第一步加載螺栓預(yù)緊力，第二步加載設(shè)定工況下載荷，螺栓應(yīng)力云圖如下圖 3 所示。從觀察中可以發(fā)現(xiàn)，螺栓與螺母連接共節(jié)點(diǎn)區(qū)域及螺栓與輪轂軸承接觸區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，大于材料屈服強(qiáng)度，材料曲線進(jìn)入塑性階段，不同分度圓直徑下螺栓最大應(yīng)力值變化不大。但在螺栓中段，排除共節(jié)點(diǎn)及面-面接觸影響可以發(fā)現(xiàn)，在加載相同預(yù)緊力條件下，分度圓直徑越大，在設(shè)定工況下螺栓應(yīng)力越小。

圖3 分度圓直徑 110m 螺栓強(qiáng)度應(yīng)力云圖

結(jié)論

本文針對(duì)某轎車車輪緊固螺栓采用有限元方法對(duì)其在設(shè)定工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，對(duì)比得出了不同螺栓孔安裝分度圓直徑對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。在本次分析中運(yùn)用了 ABAQUS 軟件強(qiáng)大的非線性接觸算法進(jìn)行計(jì)算，主要得出了以下結(jié)論：

（1）利用 ABAQUS 軟件加載預(yù)緊力的方法簡單有效，可以使計(jì)算更加準(zhǔn)確。

（2）本文對(duì)比分析了不同螺栓安裝孔分度圓直徑對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響，得出在螺栓預(yù)緊力相同的情況下，分度圓直徑越大，螺栓應(yīng)力越小。

（3）本文提出的分析思路和方法在實(shí)際工程項(xiàng)目中已經(jīng)得以成功應(yīng)用，證明了其方法的實(shí)用性。

資料來源：達(dá)索官方