摘要：销连接是现代钢结构连接常用形式，现实条件下销轴和销孔之间都会有间隙。在弹塑性阶段，通过数值分析以塑性区面积为“桥梁”研究了销孔间隙对耳板孔壁承压建议容许应力的影响。
Abstract： Pin connection is a commonly used form of modern steel structure connection. In realistic conditions there will be a gap between pin and pin hole. In the elastic-plastic stage， through the numerical analysis， and taking the plastic zone size as the "bridge"， the effect of pin hole clearance on the recommended allowable stress of the ear plate hole wall pressure.
关键词：耳板；销孔直径；销孔间隙；容许应力；塑性区面积；接触
Key words： ear plate；pin hole diameter；pin hole clearance；allowable stress；plastic zone size；contact
0 引言
销连接是现代钢结构常用连接形式之一，销孔和销轴之间的间隙是技术上难以避免的问题。连接体系在相同荷载作用下，间隙的大小与结构的安全性有密切的联系。不同间隙的连接体系，连接构件会产生不同的接触压应力，屈服范围也不尽相同，基于同一容许压应力来分析应力状态，不利于销连接结构安全性。在我国，设计销结构时，都采用容许应立法来确定钢销的弯应力、剪应力和孔壁承压应力。钢销的受力状态和应力分布十分复杂，一般采用近似的方法进行使用计算，就是根据材料力学中受弯构件的计算方法，将销视为简支梁，将被连接构件的内力视为集中力，分布在销接触的束板中心线上，通过运算得到钢销的三个应力参数，使其数值低于各自的容许应力值[1]。本文以实际应用为最终目的，结合相关设计理论和行业规范，根据现实条件对销连接进行模拟和计算，以获知其应力参数及应变形态。
1 耳板孔壁承压计算理论
国内现行行业规范是基于理想状态设定计算过程，整个运算过程没有应力的存在，而现实中往往存在接触应力，并且应力都有其分布特征，所以严格来讲，行业规范有一定的局限性。因此，笔者对国内外的相关规范进行了研究，通过本文简要分析销连接承压容许应力的计算理论，并为后文理论计算提供依据。
1.1 接触应力
两物体在受力时相互接触，在z轴上施压，接触部位发生形变，在这块区域四周会产生一个椭圆形平面，它的长半轴a在x轴，短半轴b在y轴。虎克定律规定：单位压力的大小与材料变形量成正比。此时，z轴方向的变形量达到最大值，因此分布在这条轴线上的单位压力P0是最大的。除此以外的接触区域内其他点的单位压力P都按椭圆球规律分布，式（1）为分布方程式：
如果是两个有限长度圆柱体相互接触，也可以通过公式（10）来近似计算耳板与销轴的接触应力最大值。
另外，接触应力与外加应力是非线性关系[2-6]。还有两个影响接触应力大小的因素，即材料的泊松比和弹性模量。
2 有限元模型
本文中的销孔直径、销孔间隙与孔壁承压容许应力研究在大型有限元软件ANSYS中是一类接触问题。采用专业软件对对结构进行面-面接触有限元分析，流程如下：
①建立模型，划分网格。
接触单元是基于有限元模型。因此，首先构建几何模型，划分网格，建立一个有限元模型。刚体-柔体模型只需对柔体接触面划分网格，而如果是柔体-柔体接触模型，就需要对整个接触面上的所有部件划分网格。
②识别接触对。
先确定在加载求解时有限元模型的哪个部位可能相互接触，用接触单元和目标单元来定义这些区域，并跟踪记录其变形过程，构成一个接触对的接触单元和目标单元基于共享的实常数号联系起来。即便实常数恒定不变，但是每一个接触对都应该有一个对应的实常数号。通过实常数号，可针对可以描述所有接触行为的小范围接触区域进行求解，以此得到对应的数值。
③指定接触面和目标面。
目标单元能穿透接触面，但接触单元不可以穿透目标面。可根据“凸密柔高小为接触面”的原则确定。
④定义刚性目标面。
3D目标面可以为三角面、圆柱面、圆锥面和球面，用TARGE170单元模拟。
⑤定义柔体的接触面并生成接触单元。
3D接触面可以用CONTA173（4节点）和CONTA174（8节点）模拟。
⑥定义实常数、单元及其KEYOPT。
实常数和单元KEYOPT控制接触行为。
⑦刚性目标面的运动控制。
通过定义“控制节点（Pilot）”控制目标面的运动，每个目标面对应一个控制节点。圆、圆弧、圆柱和球只能将第一个节点作为控制节点，禁止采用耦合或约束方程对目标面进行控制。如果不定义控制节点，目标面就只能做刚体运动。在控制节点上施压，只有力矩或转动时控制节点的位置才比较重要。
⑧设定边界条件。
⑨定义求解选项并求解。
⑩检查结果。
通过上述步骤建立销连接的有限元模型见图2。
3 理论值和有限元模型结果对比
销轴直径是36mm，这个数值恒定不变。设定不同的销孔间隙，会发现耳板最大弹性接触压应力存在如下变化（详见表1）。
根据表1得知：耳板最大接触压应力随着销孔间隙的拉大而逐渐增大，并且最大接触应力值增速变缓。理论状态下通过计算得到的数值与本文有限元模拟大致相同，说明本文的分析是可靠的。
4 结论
本文分析了销孔直径、销孔空隙对耳板孔壁承压容许应力的影响。以耳板塑性区面积为“桥梁”，获得耳板承压计算容许应力在其与销轴之间存在间隙时的变化规律，耳板孔壁承压计算理论、有限元分析方法，并将二者的计算结果进行了对比，两者数值吻合良好。可以利用本模型进行进一步的分析也研究，为相关研究与工程实践提供指导。
参考文献：
[2]李妍.基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用[D].吉林大学，2004.
[3]徐芝纶[著].弹性力学简明教程[M].高等教育出版社，2002.
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[5]林雪.箱型伸缩臂滑块的接触分析及规律研究[D].大连理工大学，2011.
[6]许强，朱俞江.钢结构销轴节点的设计[J].浙江建筑，2014（05）.
