高吉娥，王剑

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)



基于ANSYS的螺栓连接强度评估的二次开发

高吉娥，王剑

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

以车辆连接螺栓为研究对象，利用Tcl/Tk语言对ANSYS有限元分析软件进行二次开发. 依据《机械设计手册》对铁路车辆连接螺栓进行静强度、挤压强度、剪切强度评估，结合ANSYS开发语言APDL对各种评估过程进行整合并创建了评估界面.实现了可视化的界面操作，完成了评估过程的自动计算及结果输出.

ANSYS；Tcl/Tk；螺栓；二次开发

0 引言

随着国民经济的增长，近年来我国高速铁路迅速发展，安全稳定是车辆运行的基本要求，要保证车辆安全平稳的行驶，铁路车辆的连接结构安全也是起到至关重要的作用. 铁路车辆的许多吊装设备主要是由螺栓与车体连接，连接螺栓的安全性能直接关系着车体运行的安全，本文所要研究的主要内容正是针对车辆螺栓连接强度问题. 目前对螺栓强度校核标准大多数采用《机械设计手册》[1- 2],但有限元后处理模块中缺少与该评估过程对应的功能，本文正是为了解决这一问题,根据现有常用的评估标准进行模块化整理，创建可视化工作界面，并嵌入到ANSYS软件中，方便用户使用.

1 螺栓连接强度评估理论

有限元分析中对螺栓、铆接结构一般采用刚性元、梁元组合方式进行模拟(对铆钉仅考虑连接作用)来进行整体结构仿真分析. 根据《机械设计手册》标准的计算要求，提取螺栓轴向内力、剪切内力分别对螺栓进行静强度、挤压强度、剪切强度评估. 对比计算所得应力与屈服应力或许用应力，计算应力小于相应屈服应力或许用应力即认为螺栓强度满足要求.

1.1 静强度评估过程

根据有限元计算结果可以提取模拟螺栓梁单元轴力，进而得到螺栓的实际工作拉力. 螺栓工作过程中主要承受抗拉强度，若梁元受到的轴力为负，可以起到缓解螺栓内由于预紧而产生的拉力，评估过程可以忽略不计. 具体计算过程如下：

(1)根据有限元计算结果提取螺栓轴力Fx；

(2)计算螺栓的工作拉力F(若Fx>0,F=Fx;若Fx≤0,F=0);

(3)计算螺栓预紧力Qp,根据公式Qp=T/0.2d;

(4)计算螺栓总轴向力Q=Qp+0.3F;

(5)计算螺栓工作应力σca=1.3Q/A.

1.2 挤压强度评估过程

(1)根据有限元计算结果提取螺栓剪力F1、F2;

(3)计算挤压应力σ=F/A.

其中:A为承压面积，A=d0×lmin，d0为螺栓孔直径，lmin为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度. 最后根据计算挤压应力与螺栓许用挤压应力比较即可确定螺栓是否满足设计要求.

1.3 剪切强度评估过程

(1)提取螺栓剪力F1、F2；

(3)计算剪切应力σ=F/A.

2 评估界面开发关键技术

ANSYS[3]在有限元分析中得到广泛应用，集成了结构、电学、流场等多个模块，功能十分强大. 但在处理专业具体问题上，同样存在操作繁琐、不易掌握等问题，本文结合Tcl/Tk工具控制语言、APDL参数化设计语言，系统地分析了ANSYS流程自动化过程，编制了螺栓评估过程对应的宏文件，实现了螺栓评估过程的自动计算.研究了ANSYS流程自动化系统工具，创建了自定义图形用户界面，实现了用户自定义参数与ANSYS参数的数据传递，面向车辆CAE关键问题进行了二次开发，为具体问题的仿真分析与评估提供了快捷方便的分析工具.

2.1 APDL语言概述

APDL[3]即ANSYS Parametric Design Language(ANSYS参数化设计语言)，是一种解释性语言,可以用于参数化建模，也可用来自动完成某些通用性强的任务或专用程序.APDL包含丰富的控制结构命令[3]，如if-then-else分支，do循环，标量、向量及矩阵操作等，ANSYS命令通过APDL组织起来编写参数化通用程序，极大的提高了分析效率.

对于常用的重复分析结构过程用户还可以编制宏命令. 宏[4- 5]是为了实现某种特殊功能而编制的命令组合，实质上是参数化的模块小程序，可以当作ANSYS的命令处理，可以有输入参数或没有输入参数. ANSYS工具条就是一个缩写的宏命令.

2.2 Tcl/Tk的界面设计方法

Tcl(Tool Command Language)是一种解释执行的脚本语言[6- 8],具有if条件控制、for循环控制和switch控制等控制结构，还可以灵活定义和调用过程，实现特定功能与按钮的绑定.Tk[6- 8]是基于Tcl语言的界面设计开发工具箱,包含图形用户界面设计常用的各种组件.二者结合可用于ANSYS的界面开发,界面的的创建过程通常包括以下几个步骤[3]：

(1)顶层窗口的建立

Tk遵循层次结构，对话框是一个窗口，应首先建立窗口才能放置对应的组件. 可以用TK的toplevel命令来创建一个顶层窗口的框架，例如：

toplevel.topwin-width 150-height 50 #创建一个名为topwin，尺寸为150×50的窗口

(2)组件的添加及布局

Tk提供了建立多种组件的命令，简单的如button创建按钮命令、entry创建单行输入文本框等，窗口中各组件的合理布局主要通过组件管理器来设计，Tcl/Tk常用管理器包括pack：打包管理器；grid:栅格摆放管理器；place:定位摆放管理器.

(3)APDL与Tcl/Tk的结合

APDL命令可以很方便的与Tcl/Tk结合，可以通过调用ANSYS API函数来实现：

ans_sendcommand:向ANSYS数据库传递APDL命令；

ans_getvalue:从ANSYS数据库获取变量值；

ans_getvector:从ANSYS数据库中获得向量值.

(4)窗口的撤销

当窗口对话结束的时候，应该释放掉它占用的资源，所以要在相应的过程中加入窗口撤销语句，例如destroy.topwin命令

2.3 界面程序的调用方法

APDL可以很方便的与Tcl/Tk结合，可以通过调用ANSYS API函数来实现. 使用Tcl/Tk编写的界面文件通常以.tcl为扩展名，假定文件名为filename.tcl，ANSYS可以通过以下方式来调用该文件：

命令行输入有三种方式：

～tcl,’source filename.tcl’;

～tk,’source filename.tcl’;

～eui,’source filename.tcl’.

宏文件方式：

ANSYS自带的toolbar组件还可以定制用户化工具条按钮，直接调用界面程序. 实现方法是：通过命令

ABBR,BPPE,～eui,’source filename.tcl’

3 应用实例

3.1 高速动车组塞拉门有限元模型

应用上述二次开发模板，根据《机械设计手册》校核某高速动车组塞拉门吊装模型门板与车体连接处8根螺栓(M8，8.8级)的连接强度. 塞拉门吊装有限元模型采用空间四节点壳单元和六面体单元混合建模的方式，门板与车体连接处采用BEAM188单元模拟螺栓连接关系，有限元模型及螺栓编号如图1所示.有限元模型的单元总数为190 470，节点总数为189 494.

图1 有限元模型及螺栓编号

上述模型中，M8螺栓为8.8级，屈服极限为640 MPa；危险截面直径6.647 mm，其预紧力矩T为22 N·m，预紧力Qp为13 750 N；根据实际模型计算M8螺栓承压面积为26.4 mm2，许用挤压应力为512 MPa；承剪面积为60.82 mm2，许用剪切应力256 MPa.

塞拉门的计算工况依据EN- 12663- 1∶2010标准规定的客运车辆附属设备的标准载荷，由纵向3倍加速度、横向1倍加速度、垂向(1±c)倍加速度三种情况组合为八种工况(c在此模型中近似取2).

3.2 连接强度分析结果

依据上述有限元模型进行计算，得到第三载荷工况下的计算结果如图2、图3所示：

图2 塞拉门整体位移云图

图3 塞拉门整体应力云图

启动ANSYS螺栓通用后处理分析模块BPPE(Bolt Post-Process Evaluation)按钮，调用《机械设计手册》评估参数设置界面(如图4～图6所示),依据《机械设计手册》评估螺栓强度.

图4 ANSYS自定义工具栏

图5 后处理工具箱主窗口

图6 评估过程参数设置窗口

以第三工况为例，对评估界面按要求进行参数设置、计算，并自动输出计算结果，如表1所示：

表1 评估结果汇总

塞拉门门板与车体的连接螺栓有限元分析结果表明：基于《机械设计手册》标准的等级为8.8级ISO4017- 1999 M8×30的螺栓工作应力小于螺栓的许用应力，满足静强度、挤压强度和剪切强度设计要求.

4 结论

本文介绍了《机械设计手册》中螺栓静强度、挤压强度和剪切强度的评估方法，结合APDL开发语言编制评估过程的宏命令，利用Tcl/Tk界面开发工具创建评估界面，并成功嵌入到ANSYS中. 实现了界面化输入评估参数，自动计算并输出计算结果，完善了ANSYS后处理功能，提高了用户分析效率.

[1]孙志礼.机械设计[M].沈阳:东北大学出版社,2009:37- 49.

[2]中国机械工程学会.机械设计手册[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]师访.ANSYS二次开发机应用实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2012:8- 33.

[4]赵长勇,张系斌,翟晓鹏.基于ANSYS参数化语言APDL的结构优化设计[J].山西建筑,2008,34(3):362- 367.

[5]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2004:10- 84.

[6]JOHN K.OUSTERHOUT KEN JONES.Tcl/Tk入门经典[M].2版,北京:清华大学出版社,2010:211- 295.

[7]BRENT WELCH/KEN JONES.Practical Programming in Tcl and Tk[M].America:Prentice-Hall PTR,1995:33- 216.

[8]BRENTB.WELEH.The Complete Tcl/Tk Training Course Second Edition[M].北京:电子工业出版社,2001:121- 232.

ANSYS based on Secondary Development of Bolts Link Strength Evaluation

GAO Jie,WANG Jian

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

This paper based on the vehicle connecting bolts as research object,aiming at ANSYS finite element analysis software for secondary development with the Tcl/Tk language.On the basis of “Mechanical Design Manual”,the static strength,compression strength and shear strength of railway vehicle connection bolt are studied.Combining with ANSYS APDL language,a variety of evaluation process integration is conducted,and the assessment interface is created.The visualization of the interface is realized and the automatic calculation of the evaluation process and result output are completed.

ANSYS;Tcl/Tk;bolt;secondary development

1673- 9590(2016)02- 0014- 04

2015- 05- 21

国家科技支撑计划资助项目 (2013BAG21Q01)；中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2014J004-N)

高吉娥(1989-)，女，硕士研究生;王剑(1976-)，男，副教授，博士，主要从事车辆CAE关键技术研究E-mail:wangjian_126@163.com.

A