基于ANSYS Workbench和HyperWorks的航空沉头螺钉动力学分析与参数化研究

作者信息

赵文龙1,付建建2,刘 根3,唐 茂4,潘勇军4,王囡囡3

(1.河南省紧固件连接技术重点实验室;2.河南航天精工制造有限公司;3.山东建筑大学 机电工程学院;4.重庆大学 机械与运载工程学院）

摘要

为探究某航天工程应用中沉头螺钉的断裂失效行为,开展了对沉头螺钉的动力学分析与参数化研究。通过SolidWorks建立了沉头螺钉的三维模型,并导入ANSYS Workbench和HyperWorks两类有限元分析软件中,分析并验证了不同网格划分方式、网格大小和约束位置对沉头螺钉最大应力的影响程度。基于有限元分析结果,在ANSYS Workbench中研究了十字槽深度、同轴度、沉头角度和圆角半径对沉头螺钉最大应力的影响规律及各参数的灵敏度。研究结果表明：采用两类有限元分析软件得到的应力结果基本一致,仅相差0.1%。采用ANSYS Workbench时的计算效率更高,沉头螺钉的最大应力位置发生在头杆结合处的过渡圆角处,与实际断裂位置完全一致;相比十字槽深度、沉头角度和圆角半径,同轴度参数对最大应力的影响更明显。该分析结果可为工程技术人员预判沉头断裂影响因素及优化结构提供重要参考。

关键词

沉头螺钉;静力学分析;参数化;灵敏度

三维模型的建立

图1为M4×10的高强度沉头螺钉在航空应用中头部断裂失效样件。本文以该型号螺栓为研究对象,参考标准HB1—206—2002《十字槽90°沉头螺钉》,在保证其材料特性符合标准前提条件下,分别采用ANSYS Workbench和HyperWorks两种有限元软件,分析该类型沉头螺钉在最小破坏拉力作用下的应力分布情况,互相验证分析结果的准确性,给工程技术人员提供螺栓分析参考依据。对航空应用中的沉头螺钉而言,其加工制造过程中,十字槽深度J、同轴度H、沉头螺钉角度β和圆角半径R是非常重要的结构参数,如图2所示。

根据标准HB1—206—2002在SolidWorks软件分别建立M4×10十字槽90°沉头螺钉三维模型,如图2所示,其中十字槽几何尺寸参考标准HB7369—2002。建模过程中,各几何尺寸以标准中的基本尺寸为原则构建模型。由于沉头螺钉在使用过程中发生断裂的部位主要集中在头部和螺杆之间的过渡位置处,因此,不考虑螺杆部分的螺纹的影响,以光杆代替。

图1 M4×10高强度沉头螺钉

图2 M4十字槽90°沉头螺钉

结论

针对航空工程实际应用中发生断裂行为的M4×90°十字槽沉头螺钉为研究对象,分别应用ANSYS Workbench和HyperWorks两类有限元分析软件对其进行瞬态动力学分析,得到以下结果：

1) 采取不同网格划分方式情况下,沉头螺钉的最大应力均高于屈服强度,低于极限强度,因此沉头螺钉在破坏载荷作用下均发生了弹塑性变形。采用相同网格尺寸,而网格大小不一致时,当网格尺寸到达一定范围时,对沉头螺钉最大应力的影响很小。ANSYS Workbench有限元软件相比HyperWorks更高效,且两者的最大应力结果差值仅为0.1%。

2) 不同约束条件对沉头螺钉最大应力结果基本没有影响。这与沉头螺钉螺杆部位的实际受力情况一致。

3) 通过研究十字槽深、同轴度、沉头角度和圆角半径4个重要结构参数对最大应力的影响规律,可知十字槽深和同轴度与最大应力呈现非线性关系,且同轴度参数的影响更为显著,最大应力部位均发生在沉头根部圆角过渡R处。而沉头角度和圆角半径与最大应力基本呈线性关系。该分析结果为工程技术人员预判沉头断裂影响因素及优化结构提供了重要的参考依据。

引用格式

赵文龙,付建建,刘根,等.基于ANSYS Workbench和HyperWorks的航空沉头螺钉动力学分析与参数化研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2023,37(6)：168-177.

ZHAO Wenlong,FU Jianjian,LIU Gen,et al.Dynamic analysis and parametric design of aerospace countersunk screws based on ANSYS Workbench and HyperWorks[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2023,37(6)：168-177.

部分图表