基于ABAQUS的大型重载螺纹结构优化

唐 越 门正兴 郝 炜 袁品均 李 斌

(成都航空职业技术学院机电工程学院，四川610021)

基于ABAQUS的大型重载螺纹结构优化

唐 越 门正兴 郝 炜 袁品均 李 斌

(成都航空职业技术学院机电工程学院，四川610021)

应用ABAQUS对大型重载螺纹的应力进行了分析，并与结构优化之后的螺纹应力进行了对比。螺纹结构优化后，显著降低了螺纹牙根处的应力值，结果表明旋转切除部分螺纹牙材料这一螺纹结构优化方法是可行的，该方法可以为相关螺纹结构优化技术理论和实验研究提供参考。

ABAQUS；重载螺纹；应力；结构优化

螺纹连接是机械制造中应用最为广泛的一种机械式连接方式，它不仅通过标准化实现了互换性，便于拆装，而且连接力大。随着机械制造产业的发展和进步，机械产品质量和精度的要求越来越高，螺纹的应力分析成了一种必然的要求。有关资料表明，在大型或者特大型的机械装备中，因螺纹连接导致装备失效的故障率高达20%，本文研究的螺纹连接的螺杆直径达220 mm，属于大型重载螺纹连接，因此分析这种螺纹的应力是十分必要的。

大型通用有限元分析软件ABAQUS应用范围广泛，可以解决复杂的非线性问题，具有强大的求解器，在计算过程中可以自动调整增量步的大小，使计算结果更加精确。本文应用ABAQUS对重载螺纹连接的应力进行了分析，并与结构优化之后的螺纹应力进行了对比。

1 螺纹连接数值模拟

本文模拟的螺纹连接为一个液压缸活塞杆与耳座之间的螺纹连接，活塞杆尾端是外螺纹部分，耳座部分是内螺纹部分。本文模拟的过程是液压缸回程过程，该过程可以看作匀速过程，因此，螺纹的应力应变分析属于静力分析。活塞杆直径为220 mm。耳座与工作机构采用销钉连接，为简化计算，采用1/4模型计算，如图1所示，在1/4模型中可以看到清晰的螺纹连接状态。

图1 螺纹连接计算模型Figure 1 Calculation model of thread connection

螺纹材料采用高强度合金钢，弹性模量为208 GPa，泊松比为0.3。在活塞杆回程过程中，需要定义两个接触对。其一是内外螺纹连接的相互接触的接触对，虽然定义为一组接触对，为了使计算结果更精确，这组接触对实际上分为很多组表面的接触，在ABAQUS接触设置中需要分别定义；其二是耳座与销钉的接触对，这个接触对为一组内外圆柱面的接触对。面与面直接的摩擦因素设为0.1，接触对设置情况如图2所示。

因为采用1/4模型进行计算，分别在两个对称面加载两个对称约束，活塞杆受到一个轴向的拉力，采用截面法计算某一截面的拉应力，考虑到圣维南原理，该截面的位置应该与活塞杆螺纹起始位置的距离大于一到两个断面直径的距离。销轴两端面施加固定约束。我们非常关心的是螺纹牙的应力状态，在划分网格时，螺纹连接处适当加密网格，如图3所示。网格划分完毕后，提交计算。

图2 接触状态Figure 2 Contact status

2 计算结果分析与螺纹结构优化研究

2.1 螺纹应力分析

图3 网格划分Figure 3 Mesh generation

图4 Mises等效应力Figure 4 Mises equivalent stress

图5 最大主应力Figure 5 Maximum main stress

螺纹连接的破坏多发生于螺母中，所以我们更加关注螺母的受力状态，不仅关注等效Mise应力，还有最大主应力。图4和图5分别为螺母螺纹的等效Mise应力和最大主应力变化图。从图中可以看出，等效应力的最大值为610.2 MPa，在螺母螺纹的底部，且在螺纹的牙根部位；最大主应力为692 MPa，在螺母螺纹的最顶部。选用的材料为高强度合金钢，应力均在许用应力之内。

2.2 螺纹结构优化研究与计算结果对比

基于前几个螺纹牙等效应力较大，修改前几个螺纹牙的形状，从螺纹牙受力较大一端上数第7个螺纹牙开始，以螺母中心轴线为基准，旋转切除360°，切除掉螺纹牙的部分材料。旋转切除线与轴线成一个角度，角度分别为3°、4°、5°、6°和7°，图6所示旋转切除线与轴线为5°时修改前和修改后螺纹牙形对比情况。

(a)修改前(b)修改后

图6 修改前后牙形对比
Figure 6 Comparison of thread forms before and after modification

结构优化完成后，按照前述同样的方法设置边界条件和加载约束，然后提交计算并输出计算结果，Mises应力和最大主应力如表1所示。

表 1 螺纹应力计算结果对比Table 1 Comparison of thread stress calculation results

计算结果表明，最大主应力的位置始终保持不变，都在螺母顶部的螺纹牙根处，在结构优化为4°时，最大主应力降低为641.8 MPa。5种结构优化情况的Mises应力数值虽然均大于未结构优化时的应力值，但应力最大位置均转移到对应螺纹的牙顶处，如图7和图8所示，且对应牙根处的应力值均小于550 MPa，对于螺纹的破坏主要是指由于螺纹牙根受到过大的应力而产生的螺纹牙变形过大甚至断裂的一类现象，所以在结构优化为4°时，对应牙根处两类应力值均小于未结构优化时的情况。

图7 结构优化4°时Mises等效应力图Figure 7 Mises equivalent stress at 4° modification

图8 结构优化4°时最大主应力图Figure 8 Maximum main stress at 4° modification

3 结论

(1)通过对螺纹连接未结构优化和结构优化后的计算结果进行对比，证明了以螺纹中心线为旋转轴线，旋转切除部分螺纹牙材料这一结构优化方法的可行性。通过结构优化，显著降低了螺纹牙根处的应力值。

(2)本文中的结构优化方法可以为螺纹结构优化技术理论和实验研究提供一定的参考。

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编辑 陈秀娟

Optimization of Large Scale and Heavy Load Screw Thread Structure Based on ABAQUS

Tang Yue,Men Zhengxing,Hao Wei,Yuan Pinjun,Li Bin

ABAQUS is used to analyze the stress of large scale and heavy load thread,and it is compared with the stress of optimized thread.The stress value at the root of thread has been significantly reduced after optimizing the thread structure.That rotatively cutting the partial material of thread tooth as optimization method is feasible,and it can provide reference for the theoretical and experimental study of the related thread structure optimization technology.

ABAQUS; heavy load thread; stress; structure optimization

2016—11—23

唐越(1989—)男，助教，工学硕士。主要研究方向：机械结构应力应变分析，流体力学模拟与仿真分析，机械几何量检测方面的研究和应用。

TH131.3

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