紧固螺栓的强度验证和仿真

李曼，杜振斌，路素银，任瑞杰

（河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室,河北保定 071056）

0 引言

电力变压器是电网中很重要的设备，变压器的安全可靠性对电网起着至关重要的作用。变压器的正常运行是电力系统安全、可靠和优质运行的重要保证，而螺栓连接是变压器设备各个零部件之间的一种很普遍的连接方式[1-2]。在给螺栓施加转矩的时候，转矩分配到螺栓杆上的载荷，会因螺栓垫片与连接件的摩擦因数、螺纹与连接材料间的摩擦因数的不同而发生变化。本文用实验的方法测得了实际施加转矩后螺栓杆上的强度，与用软件强度仿真的结果进行对比，对比后按照实际测得的数据修改了仿真方法，最终使得仿真结果与实际测量结果相互拟合。

1 实验模型

一般通过在螺母上施加转矩达到在螺栓上施加预紧力的目的[3-5]。零部件之间在用螺栓连接的时候，因为零部件的材料不同，导致摩擦力不同，从而使最终作用在螺栓上的预紧力不同。

为了测试拧紧时螺栓螺柱上的受力情况，设计了便于测量螺杆应变的实验模型，如图1所示。其中，连接螺栓为8.8级M12的螺栓，其他材料均为Q355钢。

如图1所示，螺栓1为施加转矩的螺栓，连接件3的一端固定，用螺栓1连接所有的连接件和辅助件，实验中使用辅助连接件4、5是为了增强连接件2、3的强度和刚度。

在螺栓的螺母上施加转矩时，螺母与垫片之间、垫片与连接件之间都会有摩擦，这些摩擦消耗掉一部分转矩，最终作用到螺栓杆上的预紧力会因为连接件材料的不同而不同。本实验是为了测试在使用现有的这种连接方式和材料的情况下最终作用在螺杆上的预紧力。按照图1所示连接好所有零部件后，在螺杆上装一个应变片，分别施加力矩值30、50、80、100、150 N·m的力矩值，用某公司的应力测试仪器在不同的力矩值下分别测试螺杆上的应变变化，测试结果如表1所示。

图1 测试施加预紧转矩实验图

表1 测量数值和理论数值的对比

式中：F0为预紧力，N；T为拧紧力矩，N·m；K为拧紧力矩系数，无量纲；d为螺纹公称直径，m；σ为应力，MPa；As为应力截面，m2。

由表1中最后一列的对比值可知，实测应力只占理论应力的36%左右。

2 验证模型

为了验证此种材料的螺栓连接时施加在螺栓上的转矩最终作用到螺栓上的预紧力为理论值的36%左右，用另一个模型对其进行了验证，如图2所示。此模型应用某公司的静态应变测试仪及软件系统，在螺栓处粘贴应变片。本次实验共有6个应变片，其中每根螺栓上需要贴2个应变片，分别粘贴于螺杆中段部位轴对称位置，如图2所示。

图2 验证模型

表2 测点说明

验证模型种所用材料为Q355钢，其材料属性如表3所示，螺栓为8.8级M27的高强度螺栓，施加转矩的力矩扳手规格为1000～3000 N·m。本次验证用单轴应变片进行测试，测试得到的是各测点在不同工况下的应变值，再转换成各测点的应力值。

表3 Q355钢主要材料属性

本文中用ANSYS 18.0软件对实验模型进行模拟仿真时，施加36%的预紧力，与测试所得的应力结果比较相近，图3 和图4 分别 为 施 加2500 N·m 转矩时的整体应力云图、零件应力云图和螺栓应力云图；表4为施加2500 N·m 预紧力时模拟仿真值和实测值的对比。

图3 整体应力云图

图4 螺栓应力云图

表4 施加2500 N·m转矩时仿真模拟和实验实测应力对比

3 结果分析

在第3部分中的验证模型上，最终计算的预紧力为36%时的仿真值和测试值的对比表格中，上螺栓螺杆的仿真值和测试值的拟合率为99.2%，从管侧看过去左螺栓螺杆的仿真值和测试值的拟合率为96.7%，从管侧看过去右螺栓螺杆的仿真值和测试值的拟合率为100%。本次实验和仿真结果充分验证了在仿真模拟时预紧力施加36%时，其螺栓仿真模拟的结果和测试结果基本相拟合。在本次仿真和实验中数据也可能存在一定的误差，其原因如下：1）在模拟仿真的结果中取值时，关键点的取值不精准；2）本身实验过程中，施加力矩时螺栓是转动的，致使实验测得的结果位置不确定。

4 结论

本文首先用实验模型对施加在螺栓上的转矩最终作用在螺栓螺杆上的应力进行了测量，然后用测量值与其对应的理论计算值进行对比，得出实测值与理论计算值的百分比；最后用验证模型对实验模型得出来的结论进行了验证，即针对验证模型对模拟仿真和实验测量两种方式中得到螺栓应力进行对比。对比结果显示，在施加要求的转矩理论换算的螺栓预紧力为36%时，模拟仿真时螺栓的预紧力数值与实际施加转矩值测得的数值相当。

在以后的强度分析中，针对现有Q355钢的产品和使用现有的规格为1000～3000 N·m的力矩扳手施加力矩时，用仿真模拟时可建立螺栓应力截面，施加要求的转矩理论换算的螺栓预紧力的36%进行强度分析，然后按照螺栓的屈服极限和材料的安全系数1.1进行判定。

使用力矩扳手给连接特定的材料零部件的螺栓施加转矩时，因摩擦因数和材料的不同，最终作用在螺栓杆上的预紧力是有差距的。如果需要精准的预紧力，除了测试外还可以用测试的方法归纳出模拟仿真的精准计算方法。