Предварительная затяжка болтов что это
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Предварительная затяжка болтов до достижения напряженного состояния определенной интенсивности исключает деформации корпуса при нагружении ствола в процессе эксплуатации, что позволяет сохранить соосность расточек под подшипники и увеличивает межремонтный срок службы. В вертлюгах малой грузоподъемности штропов не применяют, при этом корпус на внешней поверхности снабжается отлитыми за одно целое с ним выступами с запорными защелками. [3]
Предварительная затяжка болта ( при сборке) должна обеспечить плотность соединения и отсутствие раскрытия стыка после приложения внешней ( рабочей) силы F. Внешняя растягивающая сила F полностью передается болту. [5]
Предварительная затяжка болтов на 40 % выше минимально необходимой. После нагружения болты не затягивают. [7]
Предварительную затяжку болтов следует производить ключами общего назначения. [8]
Величина предварительной затяжки болтов должна быть такой, чтобы стык не раскрывался при максимальном изгибающем моменте. Чрезмерная затяжка болтов бесполезна, так как при этом увеличение жесткости стыка не наблюдается. [9]
После предварительной затяжки болтов прицентровывают ( выверяют соосность) рабочее колесо и вал. Порядок определения взаимного расположения их осей у турбины рассматривается далее, в главе Центровка гидроагрегатов. Исправляют центровку, регулируя затяжку болтов фланцевого соединения, или, если это невозможно, устанавливают клиновую прокладку между фланцами. [10]
После предварительной затяжки болта силой Р3 под действием этой силы болт растягивается, а детали стыка сжимаются. [11]
После предварительной затяжки болта силой Р3 под действием зной силы болт растягивается, а детали стыка сжимаются. [12]
Степень предварительной затяжки болта ( шпильки) или винта зависит от сил, нагружающих соединение. [14]
Усилие предварительной затяжки болтов принять на 35 % выше минимально необходимого. Под нагрузкой болты не затягивают. [15]
Затяжка болтовых соединений
Что такое затяжка болтов?
Натяжение требует более длинных болтов и посадочного места на сборке вокруг гайки. Натяжение может быть выполнено с помощью съемных болтов или гидравлических гаек.
Что такое нагрузочные потери
Операции по натяжению
Натяжение позволяет одновременно затягивать несколько болтов; инструменты последовательно подключаются через шланг высокого давления в сборе к одному насосному агрегату. Это гарантирует, что каждый инструмент развивает одинаковую нагрузку и обеспечивает равномерное усилие зажима в суставе. Это особенно важно для сосудов, работающих под давлением, требующих равномерного сжатия прокладки для воздействия на уплотнение.
Общая процедура
Шаг 1: натяжитель болта установлен на шпильке;
Шаг 2: гидравлическое давление прикладывается к натяжителю, который затем растягивает шпильку;
Шаг 3: гайка шпильки наматывается на поверхность шва;
Шаг 4: давление сбрасывается и инструмент снимается.
Болт ведет себя как пружина, когда давление сбрасывается, болт находится под натяжением и пытается сжаться, создавая требуемое усилие зажима через соединение.
Менее 100% натяжения
Не во всех приложениях допускается одновременная установка натяжного устройства на каждый болт, в этих случаях применяется как минимум два давления натяжения. Это необходимо для того, чтобы учесть потерю нагрузки в тех болтах, которые уже натянуты при затягивании следующих комплектов. Потери нагрузки учитываются при расчете, и более высокая нагрузка применяется, чтобы позволить первым наборам ослабиться назад к целевой предварительной нагрузке.
Затяжка резьбовых соединений
Технический уровень и качество крепёжных деталей и соединений имеют важное значение для обеспечения высоких потребительских характеристик машин, механизмов, строительных конструкций, бытовой техники, другой продукции. Известно, что большинство отказов в автотранспортных средствах так или иначе связано с крепёжными деталями, ослаблением соединений, а любые ремонты и обслуживание – с отвинчиванием и завинчиванием болтов, гаек, винтов и т.д.
Надёжность соединений узлов зависит от технического уровня конструкции в целом, качества крепёжных деталей и качества сборки [1].
Надёжность резьбовых соединений — это, в первую очередь, гарантия длительного сохранения усилия предварительной затяжки в период эксплуатации. Как обеспечить это?
Силовые параметры резьбовых соединений. Надёжность крепежа.
Чтобы ответить на поставленный вопрос, сначала назовём основные силовые параметры резьбовых соединений. ГОСТ 1759.4 устанавливает для крепёжных деталей минимальную разрушающую нагрузку(Рр, Н) и пробную нагрузку(N, Н), которая для классов прочности 6.8 и выше составляет 74-79% от минимальной разрушающей нагрузки. Пробная нагрузка является контрольной величиной, которую стержневая крепёжная деталь должна выдержать при испытаниях.
Усилие предварительной затяжки (далее – усилие затяжки – Q, Н), на которое производится затяжка резьбового соединения, обычно принимаетсяв пределах 75-80%, в отдельных случаях и 90%, от пробной нагрузки[1]. Нередко возникает вопрос почему «предварительной»? Дело в том, что затяжка соединений подразумевает создание во всех деталях – и крепёжных, и соединяемых, некоторых напряжений. При этом в упруго напряжённых телах проявляются некоторые механизмы пластических деформаций, ведущие к убыванию напряжений во времени (явление релаксации напряжений). Поэтому по истечении некоторого времени усилие затяжки соединения несколько снижается без каких либо дополнительных силовых воздействий на него. В табл. 1 для справок приведены значения усилий затяжки нескольких размеров соединений.
Значения усилий затяжки,Q, Н
Размер резьбы болта
Класс прочности 6.8
Класс прочности 8.8
Класс прочности 10.9
Существует несколько способов затяжки резьбовых соединений: затяжка до определённого момента, затяжка до определённого угла, затяжка до предела упругости, затяжка в области пластических деформаций и другие.
Затяжка соединений до определённого момента
В отечественной практике чаще всего применяется затяжка путём приложения к крепёжной детали необходимого крутящего момента затяжки (далее – момента затяжки, Мкр, Н*м), который обычно указывается в чертежах или технологии сборки. В автомобильной промышленности для назначения моментов затяжки используются отраслевые стандарты [2; 3] и руководящий документ [4], которые распространяются на резьбовые соединения с болтами, шпильками и гайками с цилиндрической метрической резьбой номинальным диаметром от М3 до М24 в зависимости от размеров, класса прочности крепёжной детали и класса соединения.
В зависимости от степени ответственности соединений назначаются классы резьбовых соединений и соответствующие им величины максимальных и минимальных моментов затяжки, объёма их контроля (проверки), приведенные в табл.2.
Таблица 2. Классы резьбовых соединений по [3]
Допускаемое отклон. от расчетного Мкр, %
Объем контроля затяжки
Периодически, согласно техдок.
Несколько иные, но во многом аналогичные классы резьбовых соединений приводит, например, стандарт фирмы Renault[5], называя их классами точности прилагаемого момента:
имеет поле допуска Мкр на инструменте
имеет поле допуска Мкр на инструменте
имеет поле допуска Мкр на инструменте
имеет поле допуска Мкр на инструменте
имеет поле допуска Мкр на инструменте
имеет поле допуска Мкр на инструменте
Видно, что классы А, В, С, D соответствуют по полю допуска классам по табл.2.
Номинальный крутящий момент рассчитывается по известной формуле [1; 4;7]:
где µр– коэффициент трения в резьбе;
µт — коэффициент трения на опорном торце;
dт – диаметр опорной поверхности головки болта или гайки,мм;
d0 – диаметр отверстия под крепёжную деталь, мм;
d2– средний диаметр резьбы, мм.
Существенное влияниена затяжку крепёжных соединений оказывают условия контактного трения в резьбе и на опорной поверхности, зависящие от таких факторов, как состояние контактных поверхностей, вид покрытия, наличие смазочного материала, погрешности шага и угла профиля резьбы, отклонение от перпендикулярности опорного торца и оси резьбы, скорость завинчивания и др. Значения коэффициента трения в реальных условиях сборки можно лишь прогнозировать. Как показывают многочисленные эксперименты, они не стабильны. В табл. 3 приведены их справочные значения [6].
Таблица 3. Значения коэффициентов трения в резьбе µри на опорном торце µт
Без смазочного материала
Машинное масло с МоS2
Для упрощения расчётов Мкр коэффициенты трения обычно усредняют. В качестве примера в табл. 4 приведены результаты сравнительного расчёта моментов затяжки соединения болт-гайка размером М8, класса прочности 8.8-8. Значения коэффициентов трения µриµт взяты средними от приведённых в табл.3. Конечные результаты расчётов достаточно близки.
Таблица 4. Результаты сравнительного расчёта момента затяжки крепежа
Вид смазки и покрытия
Разные коэффициенты трения
Усреднен. к-ты трения
Без смазки и покрытия
Для понимания и правильного назначения режимов сборки резьбовых соединений важно знать на что расходуется Мкр. В табл. 5 приведены результаты расчёта момента затяжки в целом и по составляющим. Три составляющие момента затяжки (см. формулу) отражают их доли, идущие на создание усилия затяжки (12-15%), на преодоление сил трения в резьбе (32-39%) и на преодоление сил трения под головкой болта или под гайкой (47-54%) [1].
Как видим на создание усилия затяжки расходуется лишь до 15% Мкр.
Таблица 5. Моменты затяжки соединений и их составляющие, Мкр, Н*м
Размер резьбы ишестигр., мм
На создание усилия затяжки
На трение в резьбе
На трение под головкой
При применении соединений с фланцевыми болтами и гайками важно учитывать влияние на момент затяжки увеличенной опорной поверхности под головкой. Момент требуется на 10-15% выше, чем без фланца.
Крепёж. Точность способа затяжки по моменту
Итак, все действия разработчиков крепёжных соединений в машинах и механизмах сводится к назначению Мкр. Но обеспечит ли этот момент получение необходимого усилия затяжки? Зная сильное влияние условий трения и класса соединения на зависимость между усилием и моментом затяжки, покажем каков может быть разброс достигаемых значений Q при сборке. В качестве примера рассмотрим соединение болт-гайка М8 класса прочности 8.8-8, покрытие цинковое с хроматированием без смазочного материала. Номинальное усилие затяжки Q= 15900 Н.По [4] имеемМкр макс = 24,4 Н*м.
Близкие значения Q и Мкр приводятся в материалах фирм Renault, Gedore, Facom и других.
Рассчитаемпри возможных значениях коэффициентов трения 0,3, 0,14 и 0,10 величины достигаемого усилия затяжки при названных моментах затяжки для соединений II и III классов (табл. 6) и построим диаграмму в координатах Q– Мкр (рис. 1). Виден весьма существенный разброс достигаемых значений усилия затяжки (заштрихованная четырехугольная зона) при заданных крутящих моментах. Для соединений II класса это А2ВСD2, а III класса – А3ВСD3.
Минимально достигаемое усилие затяжки Qминполучается при приложении минимального крутящего момента затяжки Мкр. мин при максимальном коэффициенте трения µмакс(точки А2 и А3 на диаграмме).
Таблица 6. Результаты расчётов усилия затяжки, Q, Н
Коэффициент трения, µ
Мкр.мин = 19,8;11 класс
Мкр. мин = 15,1; 111класс
Максимальное усилие затяжки Qмакс достигается при приложении максимального крутящего момента Мкр. макс при наименьшем коэффициенте трения µмин (точка С на диаграмме).
Подобные графические изображения могут быть построены для каждого конкретного резьбового соединения. Точка соответствующего соотношения Мкр – Q находится внутри четырёхугольника.
Еще одна характеристика резьбовых соединений, влияющая на точность затяжки по моменту, назовём её «плотность» или «герметичность» стыка соединяемых деталей. Чем больше в пакете деталей (слоев), тем сильнее влияние заусенцев, неровностей, шероховатости контактных поверхностей.
Минимальное удельное усилие на контактных поверхностях должно устанавливаться из условия плотности стыкови не должно быть меньше s0 мин=(0,4 – 0,5)sт. Максимальное значение удельных усилий, обеспечивающих надёжность затяжки должно быть s0 макс=(0,8 – 0,9)sт.
Ранее мы приводили данные [1] о нежелательности применения плоских и пружинных шайб в соединениях и приводили варианты перехода, в частности, на фланцевый крепёж, что существенно повышает надёжность. Там же показаны отрицательные стороны применения болтов с шестигранной уменьшенной головкой, у которых контактные напряжения под головкой превышают sт.
Как видно способ затяжки с контролем момента даже при его точной фиксации не обладает необходимой надёжностью, далеко не всегда обеспечивает нужное усилие затяжки.
Методы контроля затяжки крепежа
Наиболее распространен метод контроля при помощи динамометрических ключей, имеющих точность в пределах ±5%. Ошибка в измерении величины момента зависит от принятого метода его определения. В [4] предусматриваются следующие методы.
Метод А. Момент измеряется непосредственно в начале вращения болта или гайки в направлении затягивания, измеренный таким образом момент называется «моментом страгивания с места». Метод применяется для быстрого контроля и осуществляется не позднее 30 минут после затяжки.
Метод В. Момент измеряется во время вращения при повороте на 10 о – 15 о в направлении завинчивания. Момент, полученный при этом, называется «моментом вращения». Метод применяется для периодического, но более точного контроля.
Метод С. Соединение освобождается и снова затягивается в прежнем положении, которое должно быть отмечено риской. Этот момент называется «моментом повторной затяжки» и применяется для контроля соединений, имеющих оксидные пленки, окраску, загрязнения.
Величины моментов затяжки при контрольных измерениях должны находитьсяв следующих диапазонах :
Метод А
Метод В
Метод С
В случае недостаточной величины момента затяжки производится подтяжка резьбового соединения до заданной величины момента. Заметим, что контроль качества затяжки особо ответственных соединений (класс 1 ) с допускаемым отклонением момента ±5% динамометрическим ключом, имеющим такую же точность, едва ли корректен.
Таким образом, показано, что как затяжка резьбовых соединений, так и её контроль базируются на косвенных методах путём приложения к крепёжной детали крутящего момента, но это далеко не всегда обеспечивает получение необходимого усилия затяжки.
Поэтому разработчики конструкции вынуждены для обеспечения требуемого усилия сжатия соединяемых деталей применять большее количество недозатянутых крепёжных деталей и увеличивать их диаметр.
Приведем примеры ошибок, которые стали возможными из-за указания в техдокументации только момента затяжки.
На автомобилях семейства ГАЗель при сборке крепления задней опоры двигателя имели место случаи разрушения болтов М10х6gх30 (210406) с полукруглой головкой и квадратным подголовком. Испытания болтов показывали, что они соответствуют требованиям ОСТа и имеют класс прочности 4.8. Оказалось, что, указанный в чертежах узла крутящий момент затяжки Мкрравнялся 28-36 Нм. Это соответствует соединению класса прочности 6.8.в результате усилие затяжки при Мкр. минзавышалось в 1,4 раза, а при Мкр.макс в 1,9 раза! После замены класса прочности болта на 6.8 дефекты сборки были исключены.
При сборке суппорта переднего тормоза автомобилей ВАЗ 2108(09) разрушался болт 2108-3501030 М12х1,25х30, имеющий класс прочности 10.9. Болт, имеющий покрытие фосфат с промасливанием, опирается на шайбу с таким же покрытием и закручивается в чугунный суппорт с цинковым покрытием. По чертежу Мкр.макс=118,4 Нм. В стандартах ВАЗа не было данных по коэффициенту трения для данного сочетания контактных поверхностей. По разным источникам отклонение Мкр могут составлять от ±10% до ±30%. Проведённые исследования этого резьбового соединения и условий его сборки на конвейере позволили выявить, объяснить и устранить причины разрушения болтов[1]. На рис. 2 показана диаграмма Q– Мкр, рассчитанная по методике Фиат-ВАЗ, где n — коэффициент использования предела текучести (n=s:sт, где s — суммарное напряжение в болте, создаваемое при затяжке). Для ответственного соединения (11 класса) коэффициент трения в резьбе и на опорной поверхности варьировался в пределах 0,1–0,18. Было определено, что при m=0,1 момент Мкр.мин=96,5 Нм, а усилие затяжки Q=59536 Н. При Мкр.макс=118,4 Нм усилие Q=73130 Н, что выше нагрузки до предела пропорциональности Qупр=72750 Н, то есть возможна пластическая деформация болта или его разрушение при сборке. Известно, что при случайном попадании масла и колебаниях толщины покрытий коэффициент трения может уменьшится до значения 0,08 и даже 0,06. В то же время было выявлено,что перед сборкой болты проходили операции мойки и промасливания, что недопустимо, ибо ещё больше увеличивало усилие затяжки.
Результаты исследований показали также целесообразность замены цилиндрической головки с внутренним шестигранником у болтана головку с волнистым приводом (типа ТОRХ) и 2-х радиусной поднутренной галтелью под головкой. За счёт этого удалось снизить напряжения под головкой и еще больше повысить надёжность крепления.
Приведённые примеры показывают, что исследования конструкций узлов и технологии сборки позволяют выяснить и исключить возможные дефекты, а также подтверждают необходимость перенесения внимания с момента на усилие затяжки.
О затяжке крепёжных соединений с контролем усилий
В мировой практике используются методы и инструменты, которые непосредственно контролируют усилие затяжки в ходе сборки. Осуществить затяжку резьбового соединения с контролем по усилию в лабораторных условиях несложно. Исследования показывают, что наибольшая точность обеспечения усилий затяжки в производственных усло
Femap. Учебное пособие по заданию предзатяжки болтов
Я думаю, множество инженеров, особенно в сфере строительства запускают КЭ анализ, чтобы рассчитывать сложные соединения. Существует несколько ловушек при решении таких задач, и одной из них является предварительная затяжка болтов! Вот поэтому я разработал данное пособие, чтобы разобрать задание предзатяжки в Femap! Я надеюсь, вам понравится.
Существует несколько способов, по которым вы можете задать предзатяжку болтов в вашей модели. Можно просто «приложить» предзатяжку как вид нагрузки, но немного сложнее, если вы хотите,чтобы на болт была наложена 3D сетка!
Используемый вами подход будет зависеть от возможностей того ПО, с которым вы работаете, а также от вида вашей модели. Во-первых, давайте разберемся, зачем вообще задавать предзатяжку болта. Позже мы увидим, как можно задать ее в зависимости от конкретного случая!
Предзатяжка болта – что это!
Задание предзатяжки болта – это довольно простая процедура, но она имеет некоторые особенности. Общая идея заключается в том,что вы стремитесь затянуть гайку болта настолько сильно, что болт начнет растягиваться. Это, конечно, увеличивает растягивающее усилие в самом болте. Вы можете замерить эту нагрузку путем измерения усилия, требуемого для поворота гайки. Для этого обычно измеряется величина крутящего момента. Существуют таблицы с моментами затяжки, по которым определяется возникающее усилие в болте, зависящее от типа смазки в соединении. Вот так приблизительно это работает:
Без сомнения, предварительная затяжка болта является «процессом с наценкой». Тем самым я имею ввиду, что проще не задавать предзатяжку болта, чем задавать ее! Это приводит к ситуации, когда люди, как правило, думают о подобных стыках как об «усилении», и это правомерно. Однако, имеет место серьезная проблема с преднагруженными соединениями!
Задача о преднагрузке!
Давайте рассмотрим соединение двух пластин, работающее на срез (немного похожее на то, которое представлено сверху). Оно будет нагружено в горизонтальном направлении (на рисунке сверху верхняя пластина смещается вправо, а нижняя пластина смещается влево). Это и есть типичное «сдвиговое» соединение, и оно довольно часто применяется.
Интересное наблюдение заключается в том, что для болтов допустимая нагрузка на сдвиг почти равна растягивающей допустимой нагрузке. Обычно вы рассчитываете, что допустимая сдвиговая нагрузка должна быть меньше (по критерию фон Мизеса разница составит 0.58). Но в болтах сдвиг возникает обычно там, где нет резьбы (поэтому площадь больше). С другой стороны, разрушение от растяжения всегда происходит по резьбе (большая допустимая нагрузка, но меньшая площадь поперечного сечения). Эти два эффекта даже по отдельности друг от друга приводят к практически равным значениями допустимых сдвиговой и растягивающей нагрузок для стандартного болта.
А теперь трюк!
Представим болт, у которого допустимые нагрузки на сдвиг и на растяжение около 100 кН. Для соединения без предварительной затяжки допустимая сдвиговая нагрузка для болта равна 100 кН. В случае преднагруженных соединений она равна усилию затяжки умноженному на коэффициент трения. Мы затягиваем болты с усилием до 70% от их допустимой растягивающей нагрузки. Однако, мне известно, что в некоторых странах нормальной нагрузкой считается даже 100% от несущей способности болта. Допустим, что в среднем нагрузка составит 80%, т.е. 80 кН. Подходящим коэффициентом трения будет 0.3. Конечно… вы можете принять его еще больше, но тогда вам потребуются серьезные усилия. Таким образом, для преднагруженного болта допустимая сдвиговая нагрузка равна 80 кН∙0.3 = 24 кН.
По сути, вам нужно иметь около четырех преднагруженных болтов,чтобы воспринимать сдвиговую нагрузку одного обычного болта без предзатяжки!
Конечно, при работе болта на срез после того как трение «уменьшается» еще имеется «дополнительная» несущая способность. Однако, в нормах единообразно принимают, что когда возникает смещение в плоскости стыка, это должно рассматриваться как выход стыка из строя!
Другими словами, чтобы задать преднагрузку для болтов, нужно приложить усилия, а при ее задании, несущая способность болтов становится меньше из-за сдвиговых сил! Должна быть причина, по которой люди по-прежнему устанавливают болты с предварительной затяжкой?!
Предзатяжка болта – для чего!
Я не хочу перегружать введение, поэтому я попробую объяснить все кратко и по делу!
Имеется несколько причин, почему я предпочитаю работать с преднагруженными болтами:
• Усталость! Я не знаю, как обстояли дела в вашем учебном заведении, но у нас наибольшую значимость имело изучение вопроса усталости. Когда вы преднагружаете болты в соединении, то усилие в болтах постоянное. Оно постоянно даже когда силы, передаваемые через стык, изменяются. Это чрезвычайно важно, т.к. у резьбы очень плохие геометрические очертания, которые являются сильными концентраторами напряжений. Применительно к усталости это будет кошмар! Преднапряжение болтов несомненно решает этот вопрос для вас!
• Жесткость! Смещение деталей в плоскости болтового стыка может быть большой неприятностью. Если вы затягиваете болты, то из-за трения относительное смещение невозможно, и тогда стык будет гораздо более жестким.
• Пониженные деформации! Как мне кажется, это идет вместе с вопросом жесткости. Если у вас есть соединения, работающие на сдвиг, то увеличение их жесткости и недопущение проскальзывания снизит (уменьшит) деформации в конструкции.
Также есть и другие причины. У меня чувство, что преднагруженные соединения изготавливаются с большей тщательностью (что всегда выгодно). К тому же можно присоединить что-либо к имеющейся конструкции без использования сварки и просверливания отверстий. Все что нужно – это расположить что-то вокруг болта и создать предварительный натяг, и тогда за счет трения будет передаваться вертикальное усилие.
Как было сказано выше, в некоторых случаях сильно «перевешивает» тот факт, что в преднагруженных соединениях допустимая сдвиговая нагрузка меньше, чем в стыках безпредварительной затяжки. И это является причиной, по которой мы их используем! Без всякого сомнения они применяются в случае опасности усталостного разрушения. Но также важным является и предотвращение смещения в плоскости стыка (но это несколько труднее уловить!).
После того как вы узнали, что такое предзатяжка, и узнали для чего она нужна… настало время узнать, как ее реализовать.
Предзатяжка болта – как задавать!
Я буду использовать Femap, но конечно предзатяжку болтов можно задавать во всех КЭ комплексах. Несмотря на то, что не в каждой программе можно просто «задать» усилие затяжки, вы можете довольно легко обойти это ограничение.
Обычно у вас нет «свободного пространства» между соединяемыми пластинами с преднагруженными болтами. Но для иллюстрации я сделал модель прямоугольного пустотелого профиля (трубы). Я буду задавать предзатяжку болта, проходящего сквозь трубу. Таким образом, деформация граней трубы будет показывать нам что же на самом происходит. Обычно деформаций практически не возникает, т.к. просто одна пластина прижимается к другой пластине!
Это может быть не лучшим техническим объяснением (задание предзатяжки болтов для нашего примера – не самая хорошая идея). Но я думаю, что это будет наилучшей проверкой того, как работает преднагрузка!
Как я уже упомянул, существует несколько способов задать предзатяжку! Первое, что мы должны выбрать – это как хотим смоделировать болт – при помощи балки или как твердое тело! Давайте начнем!
Болт: балка или твердое тело?
Это очень важный выбор, но почему-то у меня есть чувство, что вы уже знаете, какой способ вы будете использовать. Конечно это напрямую зависит от того, что вы собираетесь делать!
Если я делаю 2D пластинчатую модель сравнительно большой конструкции (то, чем я обычно занимаюсь), то моделирование болтов как твердых тел буквально невыполнимо! Объем работы будет настолько большим, что ожидание результатов будет лишено всякого смысла! В таких случаях для болтов я использую балочные элементы.
Если я исследую небольшую деталь, и она должна быть разбита на 3D элементы, то я сразу принимаю, что и для болтов будут использоваться 3D элементы.
Давайте разберем этот выбор подробнее.
Балка в качестве болта прекрасна для больших задач. Она «подсвечена» (я использую балочные элементы красного цвета), и обычно вы можете применять её без задания контакта. Такой подход является естественным решением для пластинчатых конструкций. Но конечно же ничто не дается бесплатно. Я должен жестко присоединить болт к пластине (жесткие элементы голубого цвета на картинке сверху). Это «мошенничество» в вопросе передачи таким соединением сдвиговых нагрузок. Они действуют по всей окружности отверстия, но они не должны так передаваться! Эта та цена, которую я обычно вынужден платить. Я просто потом проанализирую эти зоны вручную. Но без сомнения, это точно является недостатком такого подхода!
Задание болта с помощью твердых тел позволяет точнее его смоделировать. Я даже сделал гайку и шайбу, как можете видеть на рисунке сверху! Так как можно задать контакт от болта ко «внутренней поверхности» (в Nastran`е нельзя задать контакт типа «грань к поверхности»), вы не исказите передачу сдвиговых нагрузок. Здесь я решил оставить трубу в виде пластинчатых элементов. Размер модели сократится, при этом сдвиговые усилия все равно не возникнут. Вы также можете учитывать проскальзывание, трение между деталями и тому подобное. В общем это интересный процесс! Сложность состоит в том, что требуются большие вычислительные мощности! Сетка из 3D элементов, окрашенная синим на рисунке сверху, нужна не только по вашему желанию, но и для учета контакта (между гайкой и стенкой трубы заданы условия контакта). Все это делает модель, требующей еще больше времени для счета!
Предзатяжка болта – Балки!
На данном этапе давайте примем, что нам нужен болт, смоделированный в виде балки. Этот пример на самом деле близок моему сердцу!
Я думаю, что в большинстве КЭ пакетов есть базисный тип нагрузки «предзатяжка болта». На видео ниже вы можете видеть, как это реализовано в Femap.
Как вы можете заметить это довольно простая вещь. Вы просто задаете преднагрузку и идете дальше. Конечно имеется несколько моментов, которые надо учитывать. В зависимости от используемого КЭ комплекса, преднагружение болта может означать различные вещи. Чего вы хотите добиться, так это, чтобы преднагрузка прикладывалась полностью до того, как начнут действовать другие нагрузки на модель. Обычно так происходит, когда вы задаете предварительную затяжку болта. Однако, вы можете задать двухшаговый расчет модели в нелинейном анализе, чтобы получить подобный эффект. На шаге 1 вы прикладываете предзатяжку болта, и на шаге 2 вы прикладываете остальную нагрузку (а предзатяжка болта конечно все еще должна действовать!). Все будет зависеть от используемого ПО.
Проблема заключается в том, что вам не требуется прикладывать предзатяжку болта одновременно с «остальным нагрузками» при нелинейном анализе. Это все потому что решатель «берет» все заданные нагрузки и разделяет их на приращения. Скажем, вы прикладываете 1% от нагрузки за шаг. В таком случае при первом приращении у вас будет 1% от всех нагрузок. Но для большинства задач вам нужно иметь 100% преднагрузки на момент начала расчета. Вот поэтому имеет смысл задать предзатяжку болта в качестве начального условия (или первого шага при расчете).
Кроме того, имеется и второй аспект. На представленном выше примере вы можете видеть, что я использовал довольно простой подход. То есть я сделал RBE2 элемент по всему отверстию, а позже смоделировал болт. Но, допустим, вы хотите передавать сдвиговую нагрузку при помощи трения. В таком случае установившейся практикой является создание шайбы и гайки. И к ним вы конечно прикрепите сам болт (вместо крепления к полой трубе). Затем вы задаете контакт между гайкой и соединяемой пластиной.
Заметьте, что RBE2-элемент (жесткий элемент синего цвета) не изменился, но сейчас он прикреплен к отверстию в шайбе, а не к грани полой трубы. Шайба имеет толщину 3 мм (для обычной шайбы зеленого цвета) или значительно большую толщину (включающую толщину гайки) в желтом цвете. Возможно, это слишком педантично, но так как я хотел сделать все максимально хорошо, то я прошел этот путь!
Конечно, вам нужно задать контакт между шайбой (и зеленой, и желтой частями) и гранью полой трубы (серого цвета). Если вы хотите передавать сдвиговое усилие, вам также нужно задать коэффициент трения для этого контакта. Работает это так: обе шайбы прижимаются друг к другу (благодаря предзатяжке болта). Так как задан контакт между шайбой и полой трубой, то это значит, что детали «вдавливаются» друг в друга. Тогда создается условие для образования силы трения, поэтому можно передавать сдвиговое усилие. Хорошо… может быть и обособленно от того факта, что при расчете должно сходиться условие контакта (поэтому вычисления занимают больше времени).
Также имеет место небольшая разница в результатах. Несмотря на то, что предзатяжка имела одинаковую величину, она прикладывалась к большей площади на шайбе. Это немного уменьшает максимальные деформации полой трубы (наряду также с уменьшением напряжений. ).
Не уверен, действительно ли такая разница настолько важна, чтобы моделировать каждый болт. Я лично не знаю. Но мне известно, что при моделировании болтов без шайб это идет немного в запас (когда конечно не рассматривается изгиб полки).
Предзатяжка болта – Твердые тела!
Я думаю, вы можете легко представить, как это сделано с твердотельными болтами. Во-первых, давайте посмотрим на возможности Femap в видеоролике ниже.
По-прежнему, имеется несколько вариантов. Как вы могли видеть на видео, самым простым способом является приложение преднагрузки к «области на твердом теле». Тем не менее я не уверен, допускают ли это все пре- постпроцессоры. Вот поэтому иногда помогает «творческий подход»! Если вырезать часть твердотельного болта и заменить ее одним балочным элементом, можно добиться цели. Таким образом, вы сможете просто приложить предварительное натяжение к балочному элементу и на этом закончить!
Однако, «остался» один момент! Давайте сравним результаты от разных методик! Во-первых, давайте посмотрим, получили ли мы одинаковую преднагрузку для всех способов задания твердотельных болтов:
Как можно видеть на рисунке сверху, разница в лучшем случае очень мала (0.2%). Очевидно, что работают оба способа! Но также есть кое-что еще, на что мы должны обратить внимание! Твердотельный болт точно такой же, как и болт в виде балки с шайбой, который мы использовали ранее. Ввиду того, что это такие же головка и шайба, но только смоделированные по-разному, мы должны получить похожие результаты, правильно?
И мы их получили! В предыдущем случае напряжения были равны 979 МПа, сейчас они равны 990 МПа. Это означает, что разница составляет всего лишь около 1%! Конечно же мы рассчитывали на это! В конце концов приятно получить одинаковые результаты вне зависимости от способа моделирования, правда?!
Резюме!
В этом посте я осветил наилучшие способы задания предзатяжки для моделирования по МКЭ. Давайте кратко подведем итоги того, чему мы научились!
• Предзатяжка имеет смысл! Она может помочь вам в задачах усталости (так как усилие в болте постоянно, но усталостных нагрузок не возникает!). Предзатяжка также обеспечивает жесткость некоторых соединений. В общем это полезное техническое решение!
• Предзатяжка имеет свою цену! Это то, о чем люди часто забывают! Так как вы передаете сдвиговую нагрузку посредством трения, то допустимое срезающее усилие для каждого болта намного меньше, чем при «классическом» болтовом стыке без учета трения! Не забывайте про это!
• Способ задания предзатяжки зависит от вашей модели! В больших моделях, созданных преимущественно из 2D элементов (пластин), лучше имитировать болты как балки. В малых, твердотельных моделях вы, весьма вероятно, будете моделировать болты как 3D тела с 3D сеткой.
• Моделировать болты балками проще! Вы можете просто выбрать специальный тип нагрузки, который называется «предзатяжка». Как вы видели на видео, чтобы ее задать, там делать много не надо! Проблема в том, что вы «схитрите» при передаче сдвиговой нагрузки. Так как болт соединяется с отверстием посредством жестких элементов, то сдвиговая нагрузка прикладывается ко всей окружности. Это определённо не лучший вариант, но полезное упрощение!
• Помогите балке! Вы можете выйти из положения при помощи моделирования шайбы и взамен присоединить болт к шайбе. Тогда сдвиговые нагрузки будут правильно передаваться посредством трения. Трудность в том, что требуется задавать контакт между шайбой и соединяемой пластиной. Для нескольких болтов это может не быть проблемой, но для сотен болтов в одной модели… это должно быть тщательно продумано!
• Про точность! Справедливо, что когда вы используете шайбу, то пластина в соединении нагружена более точно (по большей площади). Это означает, что напряжения будут немного меньше. Это, конечно, здорово, но с большим числом болтов в модели вы «приобретаете» точность вместе с большим количеством вычислений!
• Решением также являются и твердотельные болты! В некоторых случаях вы можете решить сымитировать болты как твердые тела, разбитые на 3D элементы. Большим преимуществом является то, что вы можете задать контакт между «частью» болта и «частью» отверстия в пластине. Такой подход позволит передавать сдвиговое усилие точнее, по сравнению со случаем без преднагрузки. Но так как, в любом случае, с предварительной затяжкой вы передаете сдвиговые усилия через трение, то это не является большой проблемой!
• Два подхода к твердотельному моделированию! В Femap вы можете задать область на болте и приложить затяжку непосредственно к твердотельному болту. Но если это нельзя сделать в вашем КЭ комплексе, вы всегда можете вырезать часть резьбы и заменить ее коротким балочным элементом (вам всего лишь надо соединить его концы со всеми узлами на каждой кромке поперечного сечения болта). Таким образом, вы легко сможете задать предзатяжку!
• Это одно и то же! Довольно забавно, твердотельное моделирование дает чрезвычайно похожие результаты, что и балка с 2D-шайбой (для болтов). Несмотря на то, что все они требуют задания контакта для болта с 2D-шайбой, требуется гораздо меньше элементов. Вот это та самая выгода, о которой стоит подумать!