基于ANSYS减小接触应力的轻量化车用螺母的优化分析

陈明全 张建

【摘 要】 为了提高车用螺母的安全性、可靠性和轻量化，简化车用螺母的实验过程，本文运用ANSYS软件对紧固件螺母进行优化，直观地观察了六角螺母在预紧力作用下的力学特性，对六角螺母的受力情况进行了静力分析。结果表明：优化前，六角螺母等效应力最大值和最小值都比较大，优化后，六角螺母等效应力最大值和最小值都相应减小；在预紧力作用下，通过应力释放槽能够降低螺母结合面上会产生局部应力集中现象；在施加相同挤压力的情况下，应力释放槽起到了释放应力的效果，减小了螺母的接触面承受的接触应力，提高了螺母的力学性能；优化后六角螺母的受力情况和轻量化明显优于优化前，因此，合理加工应力释放槽即可实现汽车轻量化的目的，又可改善螺母的力学性能。

【关键词】 ANSYS；螺母；轻量化；优化

[Abstract] In order to improve the safety， reliability， and lightweight of the vehicle nut， simplify the vehicle nut process of the experiment， nut optimization analysis of the fastener using ANSYS software in this paper， visually observed whole process of the hexagonal nut mechanical properties under the preload and the hexagonal nut force condition static analysis. The simulation results showed that the hexagonal nut minimum and maximum von Mises stress was bigger before structure optimization， the hexagonal nut minimum and maximum von Mises stress was bigger reduced， local stress concentration of the nut combined surface can produce through stress release groove under the preload， stress release realized and contact stress of the nut was reduced under the same extrusion force， and the nut mechanical properties was improve as the same time， the force and weight of the nut were more superior after optimization， therefore， reasonable stress release glove can achieve light weight， and can improve the mechanical properties of nut.

[Key words] ANSYS； nut； lightweight； optimization

建立資源节约型、环境友好型社会一直是社会各界关注的焦点，由于石油的不可再生性和当前的不可替代性，上世纪80年代，发达国家汽车制造厂商为提升产品的核心竞争力，加快了汽车轻量化的研究，我国虽然在汽车轻量化方面的研究起步较晚，但近年来对汽车轻量化材料、连接工艺等关键技术也开展了广泛地研究。近年来，复合轻型材料在汽车行业中所占的比重越来越大，随着当前社会对汽车安全性、舒适性及节能环保的要求越来越多高，在确保汽车可靠性和安全性能的前提下，最大限度地减轻汽车部件的质量已成为汽车行业的一个研究热点，因此轻量化设计及研究具有很强的现实意义和工程应用价值 [1-5]。

螺母是将机械设备紧密连接起来的零件，通过内壁上的螺纹将同等规格螺母和螺栓连接在一起。在螺栓预紧力作用下，螺栓孔与螺母结合面上会产生局部应力集中现象，如果最大应力大于螺栓孔材料的屈服强度，螺栓孔区域附近的材料将会发生变形，因而会影响到其使用性能，在保证强度和可靠性的前提下，本文运用ANSYS软件对紧固件螺母进行优化，以进一步减少车轮质量，降低成本[6-7]。

1 仿真模型的建立

Solidworks和ANSYS的系统默认坐标系都是笛卡尔坐标系，因此建立的模型导入时视图方向不发生变化。文采用Solidworks软件建立GB/T41M24的六角螺母仿真模型，优化前的模型如图1所示，优化后模型是在普通六角螺母的周围表面均布开有应力释放槽，如图2所示，将该模型导入ANSYS软件中对六角螺母进行赋值，然后进行体网格划分，分别如图3和图4所示，材料的密度为7.2×103kg/m3，弹性模量为1.1×105MPa，泊松比为0.3[6-11]。

2 仿真模型的设定

（1）六角螺母单元定义为SOLID185单元。

（2）忽略六角螺母自身的重力。

（3）模型下表面沿Z轴方向施加40MPa的压力。

（4）模型上表面施加全约束。

（5）模型的下表面定义为接触表面。

（6）模型材料为各向同性。

3 仿真分析

在预紧力作用下，在40 MPa压力作用下螺母表面与连接件表面紧密接触，从图5和图6中可以看出，优化前螺母的最大等效应力位于上下螺纹孔周边，其最大等效应力为185 MPa，最小等效力为1.77 MPa，最大位移为1.54×10-5mm，螺母接触面的等效应力主要集中在22.1MPa～42.5 MPa范围之间。优化后螺母的最大等效应力同样位于接触面上螺纹孔周边，其等效应力最大为142 MPa，最小等效应力0.84 MPa，最大位移为1.56×10-5mm，螺母接触面的等效应力主要集中在16.5MPa～32.2 MPa范围之间。优化后六角螺母的等效应力明显比优化前优。因此，可以看出在施加相同挤压力的情况下，应力释放槽起到了释放应力的效果，降低了螺母的接触面承受的接触应力，提高了螺母的力学性能。

4 质量分析

在Solidworks中赋予材料的物理属性，密度为7.2×103kg/m3，弹性模量为1.1×105MPa，泊松比为0.3，然后在质量特性中计算出模型的质量，从图7和图8中可以看出，优化前螺母的质量为0.397kg，优化后螺母的质量为0.362kg，优化后螺母质量减轻了约8.8%。

5 结论

在保证安全性和可靠性的前提下，轻量化是人们所关心的热点问题，运用ANSYS软件对螺母释放应力且轻量化的文献报道甚少。本文运用ANSYS软件对六角螺母的受力进行分析，分析了六角螺母的应力释放槽在紧固过程中对连接件的影响。得到以下结论：

（1）优化前，六角螺母等效应力最大值和最小值都比较大。

（2）优化后，六角螺母等效应力最大值和最小值都相应有所减小。

（3）在螺栓预紧力作用下，通过应力释放槽能够降低螺栓孔与螺母结合面上会产生局部应力集中现象。

（4）在施加相同挤压力的情况下，应力释放槽起到了释放应力的效果，减小了螺母的接触面承受的接触应力，提高了螺母的力学性能。

（5）优化后六角螺母的受力情况和轻量化明显优于优化前。

本仿真有助于深入了解螺母应力释放槽对连接件的影响，通过优化六角螺母的结构，降低制造成本；有助于了解螺母在预紧力情况下应力产生和存在的规律；有利于提高六角螺母的使用性能和轻量化，减少因应力失效而引起的破坏性事故；简化六角螺母结构的实验过程，为探索六角螺母的安全性、可靠性及轻量化提供了一种新方法。有必要进行深入研究合理地选择结构参数、应力释放槽的形状、动载荷下六角螺母的受力情况及防松效果等[9-11]，本仿真还有待进一步的试验验证。

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