双螺母和偏心凹凸螺母防松性能仿真分析

作     者：唐金祥 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢旭良

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：双螺母 偏心凹凸螺母 有限元仿真 参数化建模 防松性能 

摘      要：螺纹连接结构凭借着高可靠性、高互换性、低成本、可重复使用等优点在汽车发动机机械结构中受到广泛应用,但在工作过程中螺纹结构会受到轴向载荷、横向载荷、扭矩载荷、冲击载荷、温度载荷、腐蚀作用、交变载荷等,导致螺栓预紧力出现大幅衰减现象,称之为螺栓松动。整个发动机螺纹连接根据车型不同有成百上千个螺纹结构之多,任何一个螺纹连接出现松动现象都可能会严重影响整车的使用安全,因此可靠的螺纹连接对发动机至关重要。对于发动机中螺栓松动的研究有利于乘员舱人员驾驶安全和发动机正常运行。本文采用有限元仿真研究方法,选择有限元仿真软件Abaqus,以8.8级45#号钢M10三角形螺纹结构的单螺母、双螺母、偏心凹凸螺母为研究对象,借助Matlab参数化建模建立单螺母、双螺母、偏心凹凸螺母有限元模型,研究单螺母结构不同预紧力加载方式和耦合方式对预紧效果的影响;研究在横向振动下改变横向载荷振动幅值、横向载荷振动频率、轴向力分配比、螺纹面摩擦因数、支撑面摩擦因数、材料塑性变形对双螺母结构防松性能影响以及螺栓螺母弹性模量比对螺纹副载荷分布影响;研究在横向振动下改变横向载荷振动幅值、横向载荷振动频率、凸螺母偏心量、凹凸螺母锥面锥度、螺纹面摩擦因数、支撑面摩擦因数对偏心凹凸螺母结构防松性能影响。仿真结果表明对于单螺母结构有限元模型:扭矩法和转角法比螺栓截面预紧载荷法得到的轴向应力误差更小;研究不同耦合方式发现:基准点与螺母外圆柱面耦合法和基准点与螺栓头外圆柱面耦合法都可以较好模拟螺栓预紧过程,两者得到的螺栓轴力大小一致,计算轴向应力值与理论轴向应力值之间误差都较小;对于双螺母结构有限元模型:在横向振动时间6s的条件下,当轴向力分配比为0.76、0.9、1.21时总轴力衰减率依次为9.8%、7.6%、6.2%;当横向载荷振动幅值为0.1mm、0.2mm、0.3mm时总轴力衰减率依次为5%、6.2%、8.1%;当螺纹面摩擦因数为0.15、0.2、0.3时总轴力衰减率依次为5.1%、6%、6.2%;当支撑面摩擦因数为0.15、0.2、0.3时总轴力衰减率依次为5.2%、5.6%、6.2%;当只弹性变形与弹塑性变形时总轴力衰减率依次为6.2%、7.4%;当横向载荷振动频率为10Hz、20Hz、30Hz时总轴力衰减率依次为6.2%、6.2%、6.2%;当螺栓螺母材料参数弹性模量比为1、1.5、2时螺栓第一扣螺纹牙单元节点Mises平均应力最大值依次为440MPa、402MPa、360MPa。对于偏心凹凸螺母结构有限元模型:在横向振动时间6s的条件下,当偏心量为0.4mm、0.5mm、0.6mm时总轴力衰减率依次为6%、5.8%、5.9%;当锥度为76°、77°、78°时总轴力衰减率依次为6%、5.8%、5.9%;当横向载荷振动幅值为0.1mm、0.2mm、0.3mm时总轴力衰减率依次为5.2%、5.8%、6.5%;当螺纹面摩擦因数为0.15、0.2、0.3时总轴力衰减率依次为5.4%、5.6%、5.8%;当支撑面摩擦因数为0.15、0.2、0.3时总轴力衰减率依次为5.3%、5.6%、5.8%;当横向载荷振动频率为10Hz、20Hz、30Hz时总轴力衰减率依次为5.8%、5.8%、5.8%。