卜燕軍 BU Yan-jun；王玉娥 WANG Yu-e

（河北京聯(lián)機械制造有限公司，衡水 053900）

0 引言

隨著國家相繼出臺去產(chǎn)能化和“雙碳”政策，高強鋼筋符合綠色發(fā)展方向，隨著工業(yè)科技的迅速發(fā)展，國內(nèi)鋼材產(chǎn)品性能尤其是鋼筋高強化性能不斷提升，逐漸使用400或500MPa 的鋼筋，但單個鋼筋的長度在很多場合都無法應(yīng)用，因此鋼筋與鋼筋之間的連接也尤為重要，其中，螺紋連接是鋼筋連接方式中的一種，該連接方式可拆卸固定，具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠等優(yōu)點[1]，為了驗證高強鋼筋絲頭的可用性，需要用鋼筋絲頭檢測裝置對鋼筋絲頭進(jìn)行檢驗，現(xiàn)對裝置的通規(guī)頭與鋼筋絲頭進(jìn)行仿真分析，驗證其是否滿足設(shè)計需求，為這款檢驗裝置的正式投入使用做準(zhǔn)備。

鋼筋與鋼筋進(jìn)行螺紋連接時往往需要用到套筒，而鋼筋絲頭作為與套筒連接時的核心部位，要對其進(jìn)行精確的檢測，檢驗絲頭是否合格的方法分為兩種：接觸法和非接觸法；接觸法包括三針法和螺紋量規(guī)測量法；非接觸法包括機器視覺、激光掃描等[2]，現(xiàn)場加工的零件都是采用手工抽檢的方式來進(jìn)行檢驗，這樣既費時又費力，隨著工作時間的增長，還很可能會出現(xiàn)漏檢，在投入使用的時候，會增加安全風(fēng)險。另外，對鋼筋絲頭的檢測必須要根據(jù)鋼筋絲頭的形狀特征來進(jìn)行，這樣才能有效地解決鋼筋定位和夾緊過程中出現(xiàn)的軸線偏差問題。因此要基于通止規(guī)解決滾壓成型絲頭檢測過程中的螺紋旋入認(rèn)扣問題，還要解決檢測過程中螺紋缺陷問題[3]。

在通止規(guī)頭運作期間，若遇到不合格的絲頭且又受到循環(huán)負(fù)載的影響，很容易導(dǎo)致通止規(guī)頭出現(xiàn)疲勞破壞。因此，在用ANSYS 進(jìn)行通止規(guī)頭的排布階段，對鋼筋絲頭的接觸壓力與變形的研究具有重要意義，它們直接決定了承壓能力及其穩(wěn)定性。然而，由于涉及到的因素眾多且某些因素又相互關(guān)聯(lián)，使得確定通止規(guī)接觸強度的難度增加。傳統(tǒng)的方法是基于彈塑性力學(xué)的原理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并通過一系列轉(zhuǎn)換和調(diào)整參數(shù)來求解最終結(jié)果[4]。相比之下，有限元方法因為可以高效、精確且可信賴地處理螺紋與螺紋接觸的問題而被廣泛使用。特別是在螺紋接觸方面，它有效解決了相互作用時所遇到的接觸設(shè)定難題以及施加給內(nèi)螺紋的約束條件，從而得出了正確的內(nèi)螺紋接觸應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，這有助于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案或驗證其正確性。使用ANSYS 的有限元方法能夠準(zhǔn)確、快速、直觀的反應(yīng)計算結(jié)果，避免了建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和實驗耗時等問題，是一種較先進(jìn)的計算方法。國內(nèi)學(xué)者如劉普[5]等已經(jīng)開始探索如何運用模擬技術(shù)來解決鋼筋套筒相關(guān)的問題，建立了一個鋼筋與套筒接觸仿真分析的模型，并使用新的接觸單元法計算了鋼筋載荷位移和接觸應(yīng)力。陳科[6]等通過建立同等邊界條件和加載條件下的有限元分析模型及理論數(shù)學(xué)模型，利用解析法進(jìn)一步驗證本文螺紋副有限元方法的正確性，其次基于相同方法對鋼筋直螺紋接頭螺紋副承載分布進(jìn)行ANSYS 有限元建模，分別從接頭材料E、接觸摩擦系數(shù)u 和預(yù)緊力Fp 三方面，研究了其承載分布特征及影響規(guī)律，可為后續(xù)鋼筋接頭性能的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。錢冠龍[7]等針對鋼筋絲頭不頂緊滾軋直螺紋鋼筋接頭，分別采用3 種規(guī)格鋼筋、2 種牙型角套筒、3 組螺紋中徑尺寸鋼筋絲頭，對接頭殘余變形進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果表明，當(dāng)鋼筋絲頭螺紋中徑尺寸超過套筒最大螺紋中徑尺寸，且長度超過標(biāo)準(zhǔn)要求的絲頭螺紋長度50%時，用其制成過盈配合直螺紋鋼筋接頭的殘余變形才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文以通止規(guī)頭的轉(zhuǎn)動與鋼筋絲頭的接觸為研究對象，應(yīng)用SolidWorks 軟件建立三維模型，然后導(dǎo)入Workbench 建立多體動力學(xué)虛擬樣機，運行仿真分析獲取檢測鋼筋絲頭時的變形、應(yīng)力。

1 三維模型的建立

對于鋼筋絲頭檢測裝置來說，其結(jié)構(gòu)由三個主要的部分組成：即底座、通止規(guī)固定器和鋼筋夾持裝置。首先，我們需要構(gòu)建這三個部件的外觀模型，遵循從內(nèi)到外、從小到大依次處理。具體而言，我們可以使用拉伸、切除來創(chuàng)建這些部件的大致形狀，通過拔模、抽殼等方式，可以進(jìn)一步完善內(nèi)部空間的設(shè)計。接下來，運用異形孔向?qū)Чぞ撸梢陨上鄳?yīng)的螺紋孔；最后根據(jù)網(wǎng)上查閱的鋼筋絲頭的長度，確定通止規(guī)檢測部件之間的距離。完成上述工作后，我們就能夠得到如圖1 所示那樣的鋼筋絲頭檢測裝置的三維模型了。

圖1 鋼筋絲頭檢測裝置三維模型

現(xiàn)有的合格的鋼筋絲頭與通止規(guī)檢測完成時的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。本文選擇的常用鋼筋與套筒的詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。通過SolidWorks 軟件中零件庫Toolbox中調(diào)用，再進(jìn)行裝配完成對通止規(guī)與鋼筋絲頭的建模，所繪制的三維圖如圖3 所示。

表1 鋼筋與套筒參數(shù)

圖2 鋼筋與通止規(guī)檢測的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 鋼筋絲頭與通止規(guī)結(jié)構(gòu)三維模型

本研究采用自底向上、自內(nèi)向外的組裝策略來構(gòu)建內(nèi)螺紋檢測裝置，從基礎(chǔ)的線性模組開始，逐步把各個部件依次進(jìn)行裝配，直至全部安裝完畢。具體步驟包括以下幾個部分：首先創(chuàng)建新的設(shè)計圖紙；其次，引入線性模組進(jìn)入裝配環(huán)境并予以固定；接下來，按照順序?qū)⒌装?、箱體、彈簧筒及通止規(guī)固定裝置等各部件一一進(jìn)行裝配，主要利用如同同軸、平行、垂直或者寬度配合等方式進(jìn)行組合；最終，將模組、箱體、裝夾裝置相互匹配，從而完成了整個裝置的組裝任務(wù)。此外，還可通過調(diào)整顏色和修改透明度等手段使其更為直觀易懂。對于整個設(shè)備的三維建模，SolidWorks 具備沖突檢測的功能，可用于識別裝配物內(nèi)的零部件是否存在碰撞問題；最常出現(xiàn)的沖突情況通常發(fā)生在通止規(guī)和通止規(guī)裝夾裝置；彈簧筒與箱體之間，一般是因為同軸度或距離設(shè)置不當(dāng)所致，需對此類三維圖形進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；關(guān)于該鋼筋絲頭檢測裝置的運動模擬，該設(shè)備由電機驅(qū)動，經(jīng)由鍵聯(lián)接傳遞至彈簧筒；借助插件SolidWorksmotion，我們能對其進(jìn)行運動模擬分析，在設(shè)定轉(zhuǎn)動的方向、速度和線性模組移動的速度之后，針對通止規(guī)裝夾機構(gòu)施加負(fù)荷，即可達(dá)到模擬運行的效果。經(jīng)過此種方式的運動模擬，我們可以進(jìn)一步了解產(chǎn)品的構(gòu)造，同時也能作為優(yōu)化參數(shù)的重要參考。

2 ANSYS 通止規(guī)與鋼筋絲頭加載接觸動態(tài)特性分析

利用有限元分析法來研究通止規(guī)裝夾機構(gòu)運動的負(fù)載接觸過程，具體步驟如下：①構(gòu)建鋼筋與通止規(guī)的三維模型；②將該建模導(dǎo)入到有限元軟件系統(tǒng)中；③調(diào)整材質(zhì)屬性；④劃定有限元網(wǎng)格；⑤實施負(fù)荷和約束；⑥求解；⑦結(jié)果評估。在本文中，選用Workbench2022 進(jìn)行有限元計算分析。將SolidWorks 軟件創(chuàng)建的三維模型solid 裝配文檔轉(zhuǎn)換為. x _ t 格式，這種格式可以一次性把帶有相關(guān)配合的裝配體導(dǎo)入Workbench 軟件。在不改變模型組裝的前提下，所有部分都被視為單獨的零件進(jìn)行處理，無需在Workbench 中再另行畫分割線進(jìn)行劃分[6]。

將鋼筋絲頭檢測裝置三維模型導(dǎo)入有限元模型以后，一般要首先進(jìn)行有限元軟件的幾何編輯模塊對原始三維模型進(jìn)行有益于有限元劃分網(wǎng)格和加載計算的處理。將通止規(guī)的材料定義為CrMo，這是合金結(jié)構(gòu)鋼（也叫做調(diào)質(zhì)鋼）的代碼[8]。該種材料一般被用來制造能夠經(jīng)受撞擊、彎曲和高負(fù)荷的各類機械設(shè)備中的關(guān)鍵部件。其具有極高的靜態(tài)強度、抗沖擊韌性以及較大的疲勞極限。對于通規(guī)與鋼筋絲頭來說，設(shè)置為1 對接觸對。在絲頭不合格時，齒與齒之間的接觸，傳遞了壓力，但又相互運動，且齒面之間具有摩擦力。因為齒與齒之間添加鏈接約束使螺紋與螺紋之間接觸為摩擦，摩擦系數(shù)按照鋼材之間摩擦設(shè)定為0.15。對通規(guī)添加與地面連接的圓柱連接副，以確保動態(tài)分析過程中通規(guī)的轉(zhuǎn)動與移動[9]。

有限元法采用的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計算，對鋼筋和通規(guī)頭的網(wǎng)格劃分采用的網(wǎng)格大小為5mm，對接觸相接觸表面的網(wǎng)格大小為0.5mm，如圖4 所示。完成整體網(wǎng)格劃分后對螺紋與螺紋之間各個接觸面位置的網(wǎng)格進(jìn)行分層細(xì)化，如圖5 所示。網(wǎng)格劃分完后網(wǎng)格數(shù)量為43779 個，節(jié)點數(shù)量為74112 個。

圖4 通規(guī)與鋼筋絲頭網(wǎng)格劃分圖

圖5 鋼筋絲頭網(wǎng)格細(xì)化圖

完成網(wǎng)格劃分后對通規(guī)添加運動工況，在鋼筋中添加固定支撐使鋼筋固定，在通規(guī)上添加力矩，大小設(shè)置為5000N·mm，并且在運動方向上添加一個50N 的力，如圖6。

圖6 通規(guī)載荷與固定支撐

3 通規(guī)與鋼筋絲頭有限元分析計算結(jié)果

依照以上步驟設(shè)定好各個環(huán)節(jié)，就可以開始計算了。完成了預(yù)處理之后，接下來就是解決模型的問題，最后的階段是在檢查和評估計算成果。對于螺紋傳動效率而言，齒根壓力特性的表現(xiàn)是非常重要的評價標(biāo)準(zhǔn)。通過觀察通規(guī)螺紋齒與鋼筋絲頭螺紋齒之間接觸時的壓力與形變狀況，我們可以發(fā)現(xiàn)，通規(guī)螺紋齒的主要壓力及形變都集中在了嚙合齒部。這里主要查看螺紋齒的變形、接觸應(yīng)力情況。通規(guī)螺紋齒的變形量直觀地表現(xiàn)了遇到不合格的鋼筋絲頭受力后的行為。變形量的過大說明通規(guī)螺紋齒承載過大，或通規(guī)螺紋齒剛度過小。但是變形量并不決定螺紋齒是否被破壞。變形量是應(yīng)力之和，有些位置變形量可以很大，但應(yīng)變量是0，如果是0 的話，此處材料就不會破壞。如圖7 所示，便是在設(shè)定遇到不合格鋼筋絲頭的工況下通規(guī)頭與鋼筋絲頭的總變形量分析圖。從云圖中可以看出通規(guī)頭內(nèi)部上的變形量最小，外部的變形量最大，這與所施加的約束和載荷是相一致的，通規(guī)頭上最大變形為0.03mm。

圖7 通規(guī)頭變形量云圖

當(dāng)單個螺紋齒承受的載荷越大時，由此產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大，但是由于接觸應(yīng)力受到了螺紋齒面接觸位置的曲率半徑的影響，螺紋齒面與螺紋齒面所承受應(yīng)力的大小不一定和受到的載荷相一致。如圖8 所示，是由有限元軟件計算得到的通規(guī)螺紋齒的接觸應(yīng)力云圖。如圖9 所示，是鋼筋絲頭的接觸應(yīng)力云圖，兩個圖反應(yīng)了接觸區(qū)的位置、最大接觸應(yīng)力位置和接觸應(yīng)力的分布。

圖8 鋼筋絲頭接觸應(yīng)力云圖

圖9 通規(guī)頭接觸應(yīng)力云圖

從圖8 和圖9 中可以看出接觸區(qū)沿著螺紋齒齒向方向，呈現(xiàn)出一個區(qū)域。從區(qū)域中部向外，其接觸應(yīng)力值逐漸增大。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在該區(qū)域的外部。其呈現(xiàn)規(guī)律是和實際情況是相符合的，從圖7 中可以看出，在變形方向上，當(dāng)通規(guī)螺紋與不合格的鋼筋絲頭接觸時，其變形量由內(nèi)向外逐漸增大，其呈現(xiàn)的規(guī)律是和實際情況相符合的。

4 結(jié)論

本文介紹了通規(guī)在遇到不合格絲頭時螺紋的加載接觸分析，所采用的研究方法為有限單元法。通過計算接觸應(yīng)力、通規(guī)的應(yīng)力分布情況。另外，有限元方法中，網(wǎng)格的化分對最大應(yīng)力值的影響也較大。本文通過運用有限單元法對設(shè)計完成的螺紋檢測裝置的通規(guī)進(jìn)行接觸強度的校核。如果強度校核不通過或結(jié)果過于安全，則重新進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，直到設(shè)計達(dá)到一個較優(yōu)的狀態(tài)。利用軟件SolidWorks 軟件建立了鋼筋絲頭檢測裝置的三維實體模型，將通規(guī)與鋼筋絲頭導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用Workbench 平臺對進(jìn)行有限元計算。研究結(jié)果顯示，通規(guī)的最大形變量達(dá)到0.03mm，而其最大應(yīng)力可以達(dá)71MPa，這個數(shù)值遠(yuǎn)低于規(guī)定的應(yīng)力值，不會對通規(guī)造成破壞，因此該鋼筋絲頭檢測裝置能夠滿足實際加工生產(chǎn)需求。