轴向载荷下螺栓非啮合螺纹段变形的实验和三维有限元计算分析
螺栓螺纹三维接触有限元分析
机械 2010年第5期 总第37卷 计算机应用技术 ・31・———————————————收稿日期：2009－12－06作者简介：李波（1981－），湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向为机械结构分析。
螺栓螺纹三维接触有限元分析李波（华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074）摘要：在对螺栓螺纹的分析中，一般采用的方法是将螺栓简化为轴对称，建立轴对称有限元模型进行分析，即使是建立三维模型也是忽略了螺纹部分对整个有限元模型分析的影响。
在一些特殊的分析情况下，这样会大大降低分析的精度。
比如，在对螺栓螺纹防松机理方面的研究中，就必须考虑螺纹部分及其接触对整个分析过程的影响，而采用单一的有限元软件又很难完成。
正是基于这一原因，根据UG 、HyperMesh 和ANSYS 软件的特点，综合运用其长处可以完成螺栓螺纹从几何建模、网格划分、分析计算到结果处理的整个过程．实例表明，综合运用各种软件，有利于发挥每种软件的优点，大大提高有限元分析的效率。
关键词：螺栓螺纹；UG ；HyperMesh ；ANSYS ；三维接触中图分类号：TH131.3 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2010) 05－0031－03Three-dimensional contact ofthreaded bolt finite element analysisLI Bo(Mechanical Engineering College ，Huazhong University of Science and Technology ，Wuhan 430074，China) Abstract ：Generally, we using axis symmetry in the screw thread of bolt finite element analyse. Even though, neglecting the effect of screw thread to the whole three-dimensional finite element model. Reducing precision in some special occasion. For instance ,in research of preventing screw thread of bolt from loosening, it must take into account of the compact of the screw thread and the contact. But it hard to accomplish the mission in using single software. With the issues that finite element analysis using single software is complicated and low efficient ，the UG ，HyperMesh and ANSYS softwares are synthetically applied in the course of modeling ，plotting finite element grids ，calculating and analyzing ，and result dealing based on their respective characteristic ．The example indicates that the comprehensive application of various finite element softwares can exert their corresponding advantages and make the analysis more efficient ．Key words ：threaded bolt ；UG ；HyperMesh ；ANSYS ；three-dimensional contact有限元法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
三维非连续变形分析与有限元耦合算法
轴向的速度分别为 0.05m/s， 0.0m/s，− 0.1m/s； 右侧杆只沿 x 轴负向运动， 速度大小为 0.05m/s。 两杆的材料常数为，弹性模量 E = 100N/m2，泊松比 µ = 0 ，密度 ρ = 0.01 kg/m3，接触面的 摩擦系数为 0.2。采用 8 节点块体元划分网格，单元尺寸为 0.5m×0.5m×0.5m。时间步长
1
引言
二维 DDA 方法 自石根华博士提出以来便受到了国内外学者的普遍关注，经过十多年的
[1]
发展已成为解决岩土工程中不连续变形问题的有效数值方法。各国学者在二维 DDA 方法的发 展和应用方面作了大量的工作，取得了丰硕的研究成果，极大地推广了 DDA 方法在工程中的 应用。由于 DDA 中块体的位移和变形是通过块体形心的完全一阶位移函数来描述的，所以只 能得到块体内部的常应力，并且限制了描述块体变形的能力。文[2, 3]通过对二维 DDA 的块体 进行有限元网格划分，采用有限元法描述块体的变形和应力，而块体的接触和运动仍然采用 DDA 方法来描述，从而增强了块体的变形能力。 本文将二维 DDA 方法拓展到三维空间，并通过对三维块体进行有限元网格剖分，用有限 元方法来描述块体内部的位移场和应力场，块体的接触和运动采用三维 DDA 方法来模拟，从 而结合了有限元法和 DDA 方法的优点。三维耦合法既提高了块体的变形能力和块体内应力场 的精度，又可以模拟三维不连续多块体系统的非连续变形分析。
图5
接触面形心点的法向速度时程曲线
图6
接触面上形心点沿 z 轴方向的速度时程曲线
4
结论
本文将二维 DDA 方法拓展到三维空间，并对不连续块体进行有限元网格剖分，采用 8 节
点块体元描述块体内部的位移场和应力场， 从而增强了模拟块体变形和应力分布的能力。 由于 耦合法结合了有限元法和 DDA 方法两者的优点，所以大大增强了解决问题的能力。文中给出 的典型接触、 碰撞算例不但证明了本文所提出算法的正确性和有效性， 而且可以清楚地看到在 接触、碰撞的过程中能量的传递过程和应力波的传播过程。
(完整)螺栓连接的有限元分析
1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一.其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。
在航空机载环境下，由于振动冲击的影响,设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。
螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性.传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化.没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。
通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷.用有限元分析软件MSC。
Patran/MSC。
Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确,结果更可靠。
因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛.2 有限元模型的建立对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。
多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接.在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent），另外一个节点为主节点(Independent)。
主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。
比例因子选为1，使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用.梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam,其能承受拉伸、剪切、扭转。
通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致.本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
2.1 几何模型如图1所示组合装配体，底部约束。
两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定.端面受联合载荷作用。
图1 三维几何模型2。
2 单元及网格抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元(shell），设置壳元厚度等于实际壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。
在法兰上下两节点之间建立多点约束单元（RBE2，算例1，图3）或梁元(Beam, 算例2,图4)来模拟该位置处的螺栓连接。
螺纹深度和螺距对螺纹连接强度影响的有限元分析
螺纹深度和螺距对螺纹连接强度影响的有限元分析涂文兵;何海斌;王筱鑫;邹银辉;周浩浩【摘要】螺纹连接是机械工业常用的零件连接方式,其强度对于保证零件连接关系的可靠性有着重大影响.为研究螺纹连接强度的影响因素,建立了3种不同螺纹深度和3种不同螺距以及3种不同载荷下的螺栓-螺母螺纹连接的有限元模型.从螺纹牙根部应力和螺栓轴向变形两方面分析了螺纹深度、螺距和载荷对螺纹连接强度的影响.结果表明,螺纹牙根部应力与螺纹深度、螺距皆成反比关系,而其与轴向变形均跟载荷成正比关系,为提高螺纹连接强度提供了一定的理论基础.%The threaded connection is a common parts connection in mechanical industry, and its connection strength has great influence on the reliability of the parts connection relationship. To study the influence factors of the strength of threaded connection, the finite element models of bolt-nut thread connection withthreetypes of thread depth, threetypes of pitch and threetypes of load were established. The influence of the thread depth, pitch and loading on the strength of threaded connection was analyzed from the stress of thread root and the axi-al deformation of bolt. The results showed that the thread root stress is inversely proportional to the thread depth and pitch, and the bolt axial deformation has direct ratio relations with loading, which provides theoretical basis for improving the strength of threaded connection.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2017(034)002【总页数】6页(P118-123)【关键词】螺纹连接;螺纹深度;螺距;载荷;应力【作者】涂文兵;何海斌;王筱鑫;邹银辉;周浩浩【作者单位】华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013【正文语种】中文【中图分类】U463.55螺纹连接是应用极为广泛的机械连接，其连接强度直接决定了整机的寿命与安全性。
偏梯形螺纹的有限元分析
偏梯形螺纹的有限元分析摘要本文用有限元法建立API偏梯形螺纹的力学模型，模拟偏梯形螺纹在受扭和同时受扭与轴向拉力时的应力分布情况。
关键词套管；偏梯形螺纹；应力API螺纹主要包括圆螺纹和偏梯形螺纹，其中偏梯形螺纹又因其较好的连接强度得到更多的使用。
同时现有的特殊扣产品中，有相当一部分是偏梯形螺纹的变形产品或者是在偏梯形螺纹的基础上通过增加前段密封形成的特殊螺纹，因此对偏梯形螺纹的研究有很重要的意义。
1 偏梯形螺纹有限元模型的建立1.1 模型的简化根据API 5B[1]的要求，选取139.7*9.17 P110 BC套管进行有限元建模。
套管为外螺纹，接箍为中心对称的内螺纹，在有限元建模时接箍只取到中心面，套管长度3倍于管端到螺纹消失点的长度[2]，忽略螺纹升角，采取轴对称结构，同时假设接箍和套管的材料各向同性，选取材料的弹性模量E=205950MPa，泊松比=0.29，有限元模型如图1。
1.2 边界条件及扭矩的添加由于接箍的中心对称，且在实际在承受轴向载荷时，接箍外扩，套管内缩，因此对接箍中心面进行轴向约束，在套管远端添加轴向拉力。
根据API 5B对于偏梯形螺纹尺寸和上扣要求，在手紧后接箍与套管间无过盈，机紧后在套管与接箍间产生过盈，因此通过接箍与套管间的过盈量来模拟上扣扭矩。
上扣扭矩主要由摩擦力产生的扭矩决定，对于摩擦力产生的扭矩可以通过对每个接触面扭矩求和的形式求出。
在轴向力与上扣扭矩的共同作用下，齿顶和齿底过盈配合，承载面成为密封面。
2 结果分析2.1 上扣扭矩单独作用从应力图，可以看出在上扣扭矩作用下，接触应力主要发生在导向面一侧；从变形图可以看出，套管和接箍在端部的变形最大。
图2是套管导向面应力图。
从图中可以看到，在上扣力矩作用下，导向面应力呈马鞍面形分布，从第一牙开始递减，到第13牙处达到最小值，从第14牙开始接触应力开始增加。
应力呈这种分布趋势的原因有二：1）在上扣的扭矩作用下，螺纹的导向面接触，管端相对壁薄，变形大，等效接触应力从第一牙向后递减；2）5-1/2 in偏梯形螺纹的完整螺纹长度只有1.8410in，9个完整螺纹，从第10牙开始，导向面齿尖倒角逐渐减小，到第13牙齿尖减到最小，因此前13牙导向面的等效应力呈下降的趋势；从第14牙开始，导向面齿尖处倒角消失，接触应力升高，同时越向后螺纹的不完整程度越高，到第18牙处螺纹导向面达到最小值，具有最高的接触应力。
基于有限元的螺钉强度分析技术研究
2019.11科学技术创新 -37-基于有限元的螺钉强度分析技术研究李繁范利洪李兮普（洛阳电光设备研究所，河南洛阳471003）摘要：一般螺纹联接都具有自锁性，但在变载、冲击或振动作用下，以及工作温度变化较大时可能松动，导致预紧力下降。
为 了保证螺钉联接的安全可靠，必须对其强度进行深入分析，利用材料力学基本原理，可以解决随机振动条件下螺钉的强度计算问 题。
关键词：螺钉；强度分析;组合应力中图分类号:TG115 文献标识码:A 文章编号:2096-4390（ 2019） 11-0037-021概述螺钉联接结构简单,拆装方便,是一种应用非常广泛的可拆 联接。
对单个螺钉而言,当受力形式为轴向载荷时,其主要破坏 形式为螺杆螺纹部分发生断裂，因而其计算准则是保证螺钉的 静强度。
螺纹联接的使用实践及防松性能试验，疲劳强度试验 证明：松动失效是承受交变载荷的螺纹联接的主要失效形式之~* O 2 一般螺钉强度计算2.1横向工作载荷当螺钉受横向工作载荷，螺钉与通孔之间留有间隙，工作 时，若联接面内的摩擦力矩足够大,则被联接件之间不会发生相 对滑动。
若预紧力不足，螺钉易松动脱落甚至断裂。
预紧力作用 下，螺钉组在联接结合面处产生的摩擦力：F,= ”辺 2CF 1 Kd 式中:n ——螺钉数量;m ——结合面数;f —连接面摩擦系 数，钢-钢无润滑状态，摩擦系数为0.15~0.2;T ——螺钉拧紧力 矩N.m;K —螺纹拧紧系数；d ——螺钉公称直径m;C ——可 靠性系数,通常取1.1~1.3;F ——横向工作载荷N 。
当7- >CF,螺钉组预紧力在联接结合面处产生的摩擦力完 全能够克服横向载荷，螺钉不受横向载荷作用，仅受预紧力作 用。
横向载荷F 根据激励最大加速度、螺钉紧固部件质量进行 初步估算,在得知横向工作载荷F 后，根据上式评估螺钉强度。
2.2轴向工作载荷螺钉规格设计步骤如下：a. 根据载荷状态和具体结构计算出单个螺钉工作载荷F E o b. 根据工作要求选取K,螺钉相对刚性系数。
三维有限元动态分析不同螺距的两种螺纹种植体的应力分布
三维有限元动态分析不同螺距的两种螺纹种植体的应力分布〔摘要〕目的：研究有无防沉装置的两种种植体不同螺距的应力分布及力学相容性。
方法：采用三维有限元动态分析法，以Supper SAP93程序在周期为0.8 s的正弦半波力作用下对两种种植体进行应力分析，A组无防沉装置，B组有防沉装置。
结果：无防沉装置者应力分布较均匀，有防沉装置者骨平面处应力相对集中，适当增大螺距可分散该处的应力。
结论：无防沉装置的设计较有防沉装置者应力分布更均匀。
关键词三维；有限元法；动态法；防沉装置；螺距；应力分析中分类号：318.08 文献标识码：A文章编号：1001-3733(2000)03-0214-03The dynamic 3-D FEM on two kinds of threaded implants withdifferent pitchesWang Ge, Cheng Xiangrong.（Stomatological College, Hubei Medical University, W uhan 430070）〔Abstract〕Objective: To study the stress distribution and the mech anic in the implants with or without countersink with different thread pitch by dynamic 3-D FEM. Meth od: The impl ants were studied by supper SAP93 program under the force of 0.8 s period b y the way of half sine wane.In group A the implants were without countersink, wh ile in group B those were with countersink. Result:In group A the stress values of the implants with the pitch (mm) of 0.6,0.8 or 1 .0 were56.12±21.43,61.50±20.40 and 60.38±20.59,the (%) values were 38.18,3 3.98 and 34.10,re spectively;while in group B the stress values were 56.64±24.65,55.44±24.27 and 54.44±23.06,the CV(%) values were 43.53,43.78 and 42.36 ,respectively. Conclusion:The stress in the implants without countersink may distribut more evenly than that in those with countersink.Key words Three-dimension;Finite element methods Dynamicmethod ;Countersink; Pitch; Stress analysis▲纯钛种植体的骨内固位桩普遍以螺纹状设计为其结构基础，有无防沉装置（countersin k）为各种种植体的设计分歧所在〔1〕。
齿轮结构三维弹性动力分析与有限元模拟
７．０６２３
２．２９９
１３．０９３３
ｍ＝３
（３，０）
６９１２．５ ６５１７．５ ６．０６０６
（４．０）
１１６４９．３ １１４５６ ７ １．６８Ｉｌ
爪＝５
（５，Ｏ）
１５８００．０ １６１７７．０ ２．３３０５
表２齿轮体固有频率（有限元法）（单位：Ｈｚ）
阶狄
１
２
３
４
５
６
７
８
９
ｌＯ
１１
１２
１３
１４
二维圊盘 ＝维带齿圆盘
第２３卷第４期
２００４年
４月
机械科学与技术
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章编号：ｌＩ）０３—８７２８（２００４）０４·０４１６－０３
Ｖｏｌ ２３ Ｎｏ ４ ＡＤｍ ２００４
齿轮结构三维弹性动力分析与有限元模拟
邵忍平
邵忍平，黄欣娜，李素有
（西北工业大学机电工程学院，西安 ７１００７２）
关键词：齿轮；三堆弹性体；动力特性；有限元分析
中图分类号：ＴＨｌｌ３．１
文献标识码：Ａ
３－Ｄｊｍｅｎｓｉｏｎａｌ口船址ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙ幽ａｎｄ ＦＥＭ黜ｍｌＩｌａｔｊｏｎ ｏｆ Ｇｅａｒ ＳｔｎｌｃｔＩｌｒｅ ＳＨＡＯ Ｒｅｎ—ｐｉｎｇ．ＨＵＡＮＧ Ｘｉｎ．ｎａ．Ｕ Ｓｕ．ｙｏｕ
（ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｄｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｅｈｎｉｃａｌ ｕｎｉｖｅ商ｔｙ，ｘｊ ７ａｎ ７１００７２１
为求解齿轮体的动力特性，令尸＝Ｏ，引进一个变换函数
万方数据
第４期