有限元分析中的螺栓联接处理方式!

发布时间:2023/11/17 浏览次数:81 分类:企业新闻分类:行业新闻

7引言

通常情况，在联接螺栓的设计与校核中，需要根据螺栓受到的外载计算螺栓预紧力，再根据不同工况下的计算公式进行强度计算，如静载荷与动载荷的分析计算。对于典型的螺栓联接，受制于各种因素的影响无论从初始预紧到最后的螺栓变化载荷，需要考虑的参数组合很容易使人困惑，尤其是要考虑螺栓联接失效的时候。因此在分析时准确的构造螺栓联接特征非常重要。针对不同的需求，有限元分析对螺栓联接的处理方式也不同，主要包括下面五种：1.螺栓不参与建模，零件之间采用绑定接触，不添加螺栓预紧力；

2.螺栓联接采用线体模型建模，线体模型的梁单元包含螺旋预紧力；

3.螺栓采用实体建模，但不建螺纹，包括螺栓预紧力以及摩擦接触；

4.螺栓采用实体建模，采用螺纹接触，包括螺栓预紧力以及摩擦接触；

5.螺栓采用实体建模，并完整建出螺纹，包括螺栓预紧力以及摩擦接触。

由于前两张情况比较简单，在此不进行讨论，而第五种情况，如果对螺纹进行完整的建模，建模过程复杂并且后期计算成本很大，实际中并不实用，因此在本文中只讨论3、4两种情况。

1 分析模型

选择一对通过螺栓联接的带颈对焊法兰作为分析模型。由于是对称模型，因此取模型的一半进行分析，法兰的一端接管延伸足够的长度(＞2.5(Rt)^1/2)，法兰承受1MPa的内压并承受远端载荷1000N，如图1所示。

2 螺栓为实体单元无螺纹

ANSYS在施加螺栓预紧载荷时，螺栓会被一分为二，两部分之间通过自动创建的螺栓预紧单元PRETS179连接在一起，改单元具有以下特点：

(a)一组预紧单元用一个截面标识，产生的先单元连接螺栓的两个分离部分；

(b)线单元两段节点为J、I，节点K为预紧点。节点K可处于任意位置，拥有一个轴向位移自由度UX。可以定义轴向预紧力FX或轴向预紧位移UX，在螺栓预紧方向是为线运动。

(c)预紧方向固定，不能随螺栓转动而更新方向。

螺栓采用规则的网格划分（如六面体单元）划分时能得到平直的预紧截面创建PRETS179单元，而四面体单元的预紧截面是扭曲的，创建的PRETS179单元容易影响计算结果，因此可以在建模时将螺栓切分为两部分，手动创建平直的预紧截面，如图2所示。

在法兰上创建螺栓螺母的完整模型，其中，需要修改法兰密封面的接触为摩擦接触，螺栓与螺栓孔的接触为不分离接触。施加螺栓预紧力后进行计算，载荷见图3，计算结果见图4。

从图4中可以看到，应力最大值为200.78MPa，出现在螺柱与螺孔面想接触的位置，螺栓的作用反力为978.29N。

3 螺栓为实体单元，采用螺纹接触

螺纹接触的几何修正是从ANSYS Workbench 15.0开始添加的新功能，它可以把螺栓集中力处理为通过螺纹连接面的分布力，更接近于螺栓应力分布的真实状态，但是使用时需要注意以下几点：

（1）螺栓为接触面、螺栓孔为目标面，不能使用绑定接触，需要使用非对称接触行为【Behavior】=Asymmetry；

（2）探测方式不能选择【Nodal-Normal to Target】或【On Gauss Point】；

（3）螺栓区域网格密度高，网格划分的单元大小应不大于1/4螺距。

设置好的螺栓接触细节如图5所示，从图5中可以看出，在螺栓接触中可以设置螺栓的中径、螺距、螺旋角、螺纹形式、螺纹方向等数据。

其余设置与第2章相同，进行计算，结果见图6。

对比图4与图6的分析结果可以看出，采用螺纹接触分析时，螺柱上的应力分布是跟设置的螺纹信息相关的，呈螺旋状分布，应力最大值也分布在螺纹接触处，相比于第二章更接近于真实的应力分布情况。

4 结论

在上面的两种分析中我们可以看出，这两种分析方法对于法兰的影响并不大，最大的区别在于螺栓的应力分布，因此针对不同的分析要求，我们可以选择不同的分析方法灵活应对。

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