АНАЛИЗ ДАННЫХ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СМЯТИЯ БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ, КЛАСС ТОЧНОСТИ C

Численная модель болтового соединения (диаметр болта 14 мм) была воссоздана с помощью программного комплекса ANSYS 17.2. Этот программный комплекс позволяет получить подробную картину соединения для более детального изучения физического процесса нагружения деталей, и отработки алгоритма с последующим построением аналогичных моделей.

Реалистичным способом моделирования болтового соединения является моделирование его твердым телом, что позволяет определить напряженно-деформированное состояние соединения при  любой нагрузке.

Вводные данные были приняты из физического испытания модели болтового соединения (рис. 1).

Этапы моделирования болтового соединения:

•  создание геометрической модели болтового соединения;
•  определение числа степеней свободы;
•  передача нагрузок, напряжений, перемещений через контактные поверхности;
•  определение нагрузки.

Для чистоты выполнения численного эксперимента предусмотрено нагружение ступенями.

а)   б)

Рисунок 1. Общий вид испытуемого образца

а – численный эксперимент; б – физический эксперимент

Схема модели болтового соединения была образованна с двумя отдельными телами, пластиной и цилиндром. Контакт соприкасающихся деталей на контактных поверхностях в Ansys моделируется граничным условием «Connections»

При вводе данных и построения задач необходимо зафиксировать нижнюю грань пластины так, чтобы она была неподвижна  при прикладывании нагрузки.

Степени свободы узлов конечно-элементной модели являются основными частями задачи. Одной из степеней свободы является перемещение. Его необходимо задать с помощью инструмента «Displacement».

Сверху на тело цилиндра прикладывается нагрузка и указывается направление нагрузки. С помощью  инструмента «Force» задаем перемещение. Значения прилагаемых сил принимаем: Р = 247кН.

Решение поставленной задачи происходило в нелинейной постановке, где учитывался  контакт между пластиной и болтом, а также физическая нелинейность материала пластины.

Нагрузка, приложенная к модельной установке - это нагрузка из эксперимента, она была разбита на 10 частей.

Результаты  расчета (физического моделирования соединения) отличаются от результатов числового эксперимента:

•  при проведении физических испытаний тело болта вдавливается в кромку пластины значительнее, чем в численном моделировании;
•  изгиб пластины наблюдается при испытании физической модели, при численном моделировании его нет.

В испытании приложенная максимальная нагрузка 218 кН, максимальное перемещение 7 мм.

В соответствии с этими параметрами был построен график приложенной нагрузки численного моделирования.

На графике изображено приложение нагрузки на численную модель, с постоянным увеличением ее на каждой ступени.

Для сравнения и анализа результатов проведенных испытаний и численных вычислений был построен график «нагрузка-перемещение» и таблица для сравнения результатов численного и физического моделирования.

Таблица 1.

Сравнения показателя перемещения цилиндра при испытании, диаметр 14 мм

Рисунок 2. График сравнения диаграмм испытуемого образца

На графике и в таблице зафиксированы значения приложенной нагрузки на каждой ступени.

Из диаграммы видно, что нагружение происходит с постоянной скоростью увеличения нагрузки.

На основании полученных результатов численного моделирования и экспериментальных данных отмечено, что работа болта приближена к реальности – происходит смятие кромки пластины и полное вдавливание тела болта в кромку. То есть, деформированная форма отверстия соответствует характеру деформации, наблюдаемая на реальных образцах.

По результатам проведенных численных экспериментов программой был создан график зависимости перемещения от нагрузки. Проведено сравнение графиков численного и физического эксперимента.

При физическом испытании второго образца при нагрузке 218 кН  перемещение составило около 5,75 мм, а при численном 7,3 мм. При нагрузке от 20 кН до 100 кН, в начале, возникает небольшая погрешность. Это свидетельствует о том, что происходит стремительное вдавливание тела болта в кромку пластины, по сравнению с реальными экспериментальными данными. Графики проходят параллельно друг другу. В узле тела болта и отверстия в пластине сама по себе находится концентрация напряжений.

На основании анализа расчётов испытаний можно сделать вывод о том, что работа болтового соединения  приближена к реальной.

Список литературы:

1. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81.
2. ГОСТ 1759.1-82. Болты, винты, шпильки, гайки и шурупы. Допуски. Методы контроля размеров и отклонений формы и расположения поверхностей  -  Введ.01.01.1983. – М.: издательство стандартов , 2006г. – 26стр
3. ГОСТ 23118-2012. Конструкции стальные строительные. Общие технические условия
4. Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-3. General rules.
5. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Информационные системы в математике и механике». Нижний Новгород, 2006, 115 с.
6. Рекомендации по проектированию работающих на смятие болтовых соединений стальных строительных конструкций [Текст]. - ЦНИИПроектстальконструкция им.Мельникова. ВНИИПроектсталь-конструкция.- М;: -1989.- 17 с.