基于ANSYS Workbench和HyperWorks的航空沉头螺钉动力学分析与参数化研究

摘要：

本文聚焦于航空应用中沉头螺钉的断裂失效行为探究，通过动力学分析与参数化研究，深入探讨了沉头螺钉的结构优化与设计。研究使用SolidWorks建立了针对M4×10高强度沉头螺钉的三维模型，并导入了ANSYS Workbench和HyperWorks两款有限元分析软件，以评估不同网格划分、网格大小与约束位置对沉头螺钉最大应力分布的影响。基于ANSYS Workbench，进一步分析了十字槽深度、同轴度、沉头角度与圆角半径等结构参数对最大应力的敏感性。研究结果揭示：采用ANSYS Workbench与HyperWorks分析所得应力结果一致性高，仅存在0.1%的微小差异；计算效率方面，ANSYS Workbench优于HyperWorks，且最大应力的位置准确反映出实际断裂位置。同轴度参数在影响最大应力方面起决定性作用，显著大于考虑的其他因素，如十字槽深度、沉头角度与圆角半径。这些发现为工程师在预判沉头螺钉失效因素与结构优化时提供了理论支持。

关键词：


航空用沉头螺钉、静力学分析、参数化设计、敏感性分析


三维模型的建立：

研究以航空应用的M4×10高强度沉头螺钉在实际操作中头部断裂为例，设计了该类沉头螺钉的三维模型。参考标准规范及手册中提及的尺寸参数，确保模型的材料特性和设计架构与行业标准相符。通过对比ANSYS Workbench与HyperWorks的模型创建过程，研究了这两款软件在模型构建能力及优化处理方面的性能差异。模型设计充分考虑了沉头螺钉工作环境中各个关键部位的几何尺寸与参数设置。

结论与分析：

通过对采用不同网格划分、网格尺寸与约束条件的沉头螺钉进行动力学分析，研究揭示了沉头螺钉在塑性变形下不同参数的影响与相互作用。整体得出，十字槽深度与同轴度参数对最大应力具有显著影响，体现了非线性关系，尤其是同轴度参数的敏感性更为突出。沉头根部圆角过渡（半径R）及其与最大应力位置的关系亦被明确指出，证明了结构参数优化的重要性。




研究结论对航空领域内沉头螺钉的设计、使用与可靠性评估具有科学指导意义，是推进航空部件材料与结构优化的一项重要研究，为后续研究与实际应用提供了有力的数据支持与理论依据。

引用：

赵文龙, 付建建, 刘根, 等. 基于ANSYS Workbench与HyperWorks的航空沉头螺钉动力学分析与参数化研究[J]. 重庆理工大学学报(自然科学), 2023, 37(6): 168177.