106 北京科技大学学报 2005年第1期 2应力应变分析 以拉应力为主的内应力：而管子则受外压内缩， 产生以压应力为主的内应力.接头结构的变形亦 以接箍起始斜度25°时为典型对象分析结构 表现为啮合区接箍的外胀变形与管体的内缩变 的应力、应变及接触区接触压力的一般规律， 形（图4）. 图3所示为机紧状态下接头结构的应力计算结 果，可见： (1)从整体上讲，管体的等效应力水平较接箍 的应力水平更高，啮合区管体大部分区域的应力 水平处于433~458MPa之间，而接箍大部分区域 图4机紧状态下接箍变形示意图 的应力水平均在433MPa以下，由于接箍起始斜 Fig.4 Sketch map of displacement when the coupling is 度的存在，接箍端部的第一螺纹的牙形不完整， screwed down by machine 存在着较大的接触应力和应力集中，使其等效应 啮合区螺牙接触面的压力情况如图5所示， 力值达到全局的最大值458MPa. 可见： (2)模型的第一主应力整体上表现为接箍部 (1)啮合螺牙接触面的压力大小沿轴线方向 分全部为正值，说明接箍整体受拉，第一主应力 呈两头大中间小的分布规律，管体螺纹端部最后 最大值出现部位为接箍螺纹结束处的接箍外表 一牙的接触压力为263MPa,接箍螺纹端部最后 面，应力水平为510MPa. 一 牙的接触压力达810MPa,而啮合区中部的接 (3)整体模型的第三主应力表现为管体部分 触压力仅132MPa左右. 绝大部分区域为负值，说明管体整体受压，管体 (2)啮合区两头的螺纹螺牙两侧的接触压力 螺纹端部的第三主应力水平最大达-667MPa. 分布存在明显的不对称性，对接箍而言，靠近啮 总结以上规律可以看出，在接头上紧之后， 合区中部的螺牙面的接触压力较大，远离啮合区 管体和接箍间产生过盈.接箍受内压外涨，产生 中部的螺牙面的接触压力较小.随着螺牙位置向 (a)等效应力 D E F GH HGFE 啮合区中部的不断靠近，啮合螺纹螺牙两侧的接 接箍 触压力值变小，并逐渐趋于对称. 套管 图6所示为机紧状态下接头结构的等效塑性 IHGFE DC 变形分布图.可见，机紧状态下接头管体啮合区 A=33 C=133 E=233G=3331-433 均进入了塑性状态，且越靠近接箍中心，管体塑 B=83 D=183 F=283H=383SMDX-458 b)第一主应力 G 接箍 了 图5啮合区螺牙接触压力 E D DE D Fig.5 Contact pressure between teeth within the coupling A=-239 C=-63E=113 G=289-466 region B=-151 D=25F=201H=378 SMX=510 (c)第三主应力 接箍 et 4 MAAMMMyv DeAA餐AA的 H 要管 EFG CBA D C A=0.000873C=0.004367E-0.007860G=0.011354 SMX=-667B=-546D=-384F=-222H=-60 B=0.002620D=0.006114F=0.009607H-0.013101 A=-626 C=-466E=-303G=-1411-20 1=0.014847 SMX-0.015721 图3接箍起始斜度为25°时的应力Pm) 图6机紧状态下接头的等效塑性应变 Fig.3 Stress distribution when the pitch of the hoop is 25 Fig.6 von Mises plastic strain distribution of the coupling Unit:MPa when it is screwed down by machine北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 1期 2 应 力应 变分 析 以接箍 起 始斜度 2 50 时 为典 型对象分析 结 构 的应 力 、 应 变 及 接 触 区接 触 压 力 的一 般 规 律 . 图 3所 示 为 机 紧 状 态 下 接头 结构 的应 力 计算 结 果 , 可见 : ( l) 从 整体 上讲 , 管 体 的等 效应 力水 平较 接 箍 的应 力 水平 更 高 , 啮合 区管 体大 部 分 区 域 的应 力 水平 处 于 4 3 3~4 58 M P a 之 间 , 而接 箍 大部 分 区 域 的应 力 水平 均 在 4 3 M P a 以下 . 由于接箍起始斜 度 的存 在 , 接 箍 端 部 的第 一 螺纹 的 牙 形不 完整 , 存在 着较 大 的接触 应 力和 应 力集 中 , 使其等 效应 力值 达到全 局 的 最大 值 4 58 M P a . (2 ) 模 型 的第 一主 应 力整 体 上 表现 为接 箍 部 分全 部 为 正值 , 说 明接 箍整 体 受 拉 . 第 一 主应 力 最大 值 出现 部位 为接 箍 螺 纹 结 束 处 的接箍 外 表 面 , 应 力水 平 为 s l0 M P a · (3 ) 整体 模 型 的第 三 主应 力表现 为 管体部 分 绝 大 部 分 区 域 为 负值 , 说 明管 体 整体 受 压 , 管 体 螺 纹 端 部 的第 三主 应 力 水平 最 大达 一 6 67 M P a . 总结 以上 规 律 可 以看 出 , 在 接 头上 紧之 后 , 管体 和接箍 间 产 生过 盈 . 接 箍 受 内压 外 涨 , 产 生 (a) 等效应力 D E F G H H G r E 以拉 应 力 为主 的 内应 力 ; 而管 子 则受 外 压 内缩 , 产 生 以压 应 力为 主的 内应 力 . 接头结 构 的变 形亦 表 现为 啮 合 区接 箍 的外 胀 变形 与 管 体的 内缩 变 形 ( 图 4) . 图 4 机 紧状态 下接艳 变形 示意 图 F 落4 S ke t e卜 m a p o f d is P肠c e . e . t w 卜肠 伪 e c o u p血9 15 即 r . 片 ed d o w n by 皿ac 创恤e I H G F E D C A = 3 3 C = 1 3 3 E = 2 3 3 G = 3 3 3 1 = 4 3 3 B = 8 3 D = 1 8 3 F = 2 8 3 H = 3 8 3 S M X = 4 5 8 啮合 区螺 牙接 触 面 的压 力 情 况 如 图 5 所 示 , 可 见 : ( l) 啮 合螺 牙 接 触 面 的压 力大 小沿 轴线 方 向 呈两 头大 中间小 的分 布 规律 . 管体 螺纹 端 部最 后 一牙 的接 触 压 力 为 2 63 M P a , 接箍 螺 纹端 部 最 后 一牙 的接 触 压 力 达 81 0 M P a , 而啮 合 区 中部 的接 触 压 力 仅 132 M P a 左 右 . (2 ) 啮合 区 两 头 的螺 纹螺牙 两 侧 的接 触 压 力 分布 存在 明显 的 不对 称 性 . 对接箍 而 言 , 靠 近 啮 合 区中部 的螺牙 面 的接触 压 力较大 , 远 离啮合 区 中部 的螺 牙 面 的接触 压 力较 小 . 随 着螺 牙位 置 向 啮合 区 中部 的不 断靠 近 , 啮合螺 纹 螺牙 两侧 的接 触 压 力值 变 小 , 并逐 渐 趋于对 称 . 图 6 所 示 为机紧状态 下接 头结 构 的等 效塑 性 变 形 分布 图 . 可 见 , 机 紧状态 下接 头 管体 啮合 区 均 进 入 了 塑性 状态 , 且越靠 近接箍 中心 , 管体 塑 山) 第一主应 力 口 A = 一 2 39 B = 一 1 5 1 C = 一 6 3 D = 25 E = 1 13 F= 2 0 1 G = 2 89 H = 3 78 1 = 4 66 S M X = 5 1 0 图 S 啮合 区姗 牙接触压 力 Fi g . 5 C o n t a ct p esr su 比 b吧七曰e n et e t血 , 由 h恤 t加 co uP ha g 邝邵 o n c( ) 第三主应力 SM X = 一 6 67 B = 一 5 46 A= 一 6 2 6 C 二一 4 6 6 D= 一 3 84 F二一 22 2 H二 一 6 0 E = 一 3 0 3 G= 一 14 1 1 = 2 0 E F G F E D C B A A= 0 . 0 00 87 3 C = 0 . 00 4 3 6 7 E二 0 . 0 0 7 86 0 G= 0 . 0 1 1 3 5 4 B = 0 . 0 0 2 62 0 D = 0 . 0 0 6 114 F = l) . 0 0 9 6 0 7 H = 0 . 0 13 10 1 矜 0 0 14 84 7 S MX 司 , 0 15 7 2 1 图 3 接摘 起始 斜度 为 2宁时 的应 力(M田 a) F 哈3 S t 比胭 ids itr b u ito n w h . 比e P it c 卜o f th e h o oP is 2 5 o · U n i t : M P a 图 6 机 紧状 态下 接 头 的等效 塑性应 变 F 褚 · 6 vo n M is es P 】a . 血 时 r a 加 d 坛t ir b . ito . o f th e e o u p 血g w b e n i t is , e邝 w de d o , 甲. 勿 . a e 血恤 e