有限元+螺栓简化
Abaqus螺栓有限元分析
Abaqus螺栓有限元分析1.分析过程1.1.理论分析1.2.简化过程如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。
A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉；B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0；C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节；1.3.Abaqus中建模查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如图错误!文档中没有指定样式的文字。
-1所示。
同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如图错误!文档中没有指定样式的文字。
-2所示。
图错误!文档中没有指定样式的文字。
-1图错误!文档中没有指定样式的文字。
-2建立材料属性并将其赋予模型。
在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。
在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为0.3，如图错误!文档中没有指定样式的文字。
-4所示。
建立截面。
点击Section->Manager->Creat，建立Solid，Homogeneous的各向同性的截面，选择材料为Bolt&Nut，如图错误!文档中没有指定样式的文字。
-5所示。
将截面属性赋予模型。
选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建立的截面属性赋予它。
如图错误!文档中没有指定样式的文字。
-3所示。
同样，给螺母nut赋予截面属性。
图错误!文档中没有指定样式的文字。
-3图错误!文档中没有指定样式的文字。
-4图错误!文档中没有指定样式的文字。
-5然后，我们对建立的3D模型进行装配，在Abaqus中的Assembly模块中，我们同时调入两个模型，然后使用Constraint->Coaxial命令和Translate和Instance命令对模型进行移动，最终的装配结果如图错误!文档中没有指定样式的文字。
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。
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究为简化传统力学对螺栓进行强度校核的计算过程，提高计算结果的直观性，采用了一种螺栓的有限元ANSYS的简化模拟分析，为了验证有限元简化模拟分析的准确性，利用传统力学的解析法对螺栓的强度进行校核，结果发现，此螺栓的有限元简化模型的模拟仿真结果与理论计算结果保持一致，说明对于螺栓强度的校核，此简化方法是有效的，对于工程应用具有重要的借鉴意义。
标签：螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真0 引言螺栓连接具有结构简单，调整简便，可反复拆卸等优点，是目前最为常用的工程结构的连接方式。
但是在复杂的工程应用过程中，由于交变载荷的作用，在振动、冲击等干扰因素作用下，往往对螺栓产生严重的破坏，螺栓的强度将直接关系到设备的正常使用及使用的安全性[1]。
与运用经典的理论力学相关知识对螺栓的强度进行校核相比，主要借助于理论分析，通过经验公式等进行校核计算，在计算过程中，对螺栓的整体受力情况及受力位置等考虑并不全面，此外，并不能完全的显示各个位置的受力状况，不能很好地用于指导实践。
通过有限元分析软件，可以轻松的分析整个螺栓的受力状况，计算结果更加直观地展现，而且计算工作量大大降低，因此，有限元软件越来越多的被应用到螺栓的校核中[2-4]。
1 螺栓连接的失效机理分析螺栓连接所受的载荷包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等，其受载形式主要为轴向力与横向力。
在轴向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范围，螺栓杆将会产生塑性变形甚至将断裂；在横向力的作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或者螺栓杆被剪断等。
本研究主要对螺栓的强度进行分析，对于受拉力载荷的连接螺栓来说，发生破坏的位置主要在于螺纹的小径位置，对于这种螺纹连接，其主要的设计准则为保证螺栓具有足够的静力强度。
螺栓连接中，最为常见的受理方式为预紧力与工作拉力同时存在的情况，螺栓在轴向拉力作用下，螺栓跟连接件都会产生弹性变形，因此，螺栓所受到的总拉力并不是预紧力跟工作拉力之和。
螺栓连接地有限元分析报告
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。
基于Huth公式的螺栓连接有限元模型简化研究
基于Huth公式的螺栓连接有限元模型简化研究摘要：螺栓连接是民用航空飞机最重要的连接方式之一，在飞机上存在着数量众多，规格不一的螺栓连接结构，对螺栓连接的强度分析是飞机强度研究中最重要的课题之一。
本文使用ABAQUS有限元软件基于Huth公式建立了两套螺栓连接简化模型，并将其仿真结果与精细化有限元模型结果形对比，证明了基于Huth 公式的螺栓连接有限元模型的有效性和实用性。
关键词：民机；螺栓连接；Huth公式；强度分析；ABAQUSResearch of Finite Element Model Simplification of Bolt Connections Based on Huth FormulaXiuGang LuAbstract: Bolt connection is one of the most important structures of civil aircraft. There are a large number of bolts with different specifications on the aircraft. The strength analysis of bolt connection is one of the most important topics in aircraft research. In this paper, two simplified finite element bolt models were developed based on Huth formula, and compared with the refined model with regard to the solution accuracy to prove the effectiveness and practicability of the simplified models.Key words: Civil aircraft; Bolt connection; Huth formula; Strength analysis; ABAQUS1 引言民用飞机大量采用了紧固件连接结构，常见的紧固件有：铆钉、螺栓、销类等。
经验公式与有限元分析相结合的螺栓强度校核方法
经验公式与有限元分析相结合的螺栓强度校核方法1. 概述螺栓是应用广泛的可拆卸紧固件，实际工程中经常需要进行螺栓强度校核和选型。
机械设计手册中给出了螺栓选型的经验公式，这些公式是合理有效的，但需要明确输入螺栓的轴向和横向载荷，这些载荷通常很难用理论计算或经验估计方法确定。
有限元分析能够处理螺栓连接的结构，但有限元分析中的螺栓连接通常是做了大量简化，导致螺栓应力结果不准确，无法作为螺栓校核选型的依据。
因此，本文考虑将经验公式与有限元分析相结合来进行螺栓校核选型。
通过有限元分析来确定螺栓所受的轴向和横向载荷，以此作为经验公式的输入，完成螺栓校核选型计算。
关于螺栓选型，需要明确最小拉力载荷和保证载荷这两个概念。
当试验拉力达到最小拉力载荷时，要求螺栓不得发生断裂。
在试件上施加保证载荷后，其永久伸长量(包括测量误差)，不应大于12.5微米。
最小拉力载荷和保证载荷的具体数值参见GB/T 3098.1-2000~ GB/T 3098.17-2000。
跟螺栓选型相关的几个标准规范如下：· GB/T 3098-2000 紧固件机械性能· GB/T 16823.1-1997 螺纹紧固件应力截面积和承载面积· QC/T 518-2007 汽车用螺纹紧固件紧固扭矩· GB/T 5277-1985 紧固件螺栓和螺钉通孔2. 螺栓强度校核经验公式2.1 受横向载荷普通紧螺栓在预紧力作用下，压紧被连接件，被连接件间产生摩擦力，抵抗横向载荷。
螺栓杆受拉伸扭转综合作用。
如果连接件之间的摩擦力不足以抵消横向载荷，则被连接件发生横向错动，螺杆可能被剪断。
图1受横向载荷普通紧螺栓其强度校核计算公式如下： 螺栓所受横向外载荷为F A 。
为产生足够的摩擦力抵抗F A ，所需最小预紧力F p 为：上式中，K f 为可靠性系数，一般取1.1-1.3；m 为结合面数目；f为结合面摩擦系数。
按照最小预紧力F p 计算螺栓应力σ，进而确定所需的螺栓屈服强度σs ，最终可选定螺栓公称直径和强度等级。
基于有限元法改进螺栓连接刚度模型
No. 3Mar.2021第3期2021年3月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacttring Techiiinue文章编号：1001 -2265(2021)03 -0045 -04DOI ：10.13462/s. cnkO mmemr 2021.03.010基于有限元法改进螺栓连接刚度模型*收稿日期：2020-04-23；修回日期：2020-05 -1'*基金项目：国家重点研发计划(201'YFB2001701)作者简介:马雅丽(1963—),女，辽宁鞍山人，大连理工大学教授，博士生导师，博士，研究方向为机械系统设计及创新设计理论方法，(E-mail )myl@ dlui. edu. cn o马雅丽，刘国超，危家勇，李灿灿，梁 晨(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024)摘要:针对目前对螺栓连接刚度的研究忽视了被连接件材料的弹性模量和厚度不同对其刚度的影响，基于有限元方法，研究了被连接件材料的弹性模量与厚度对其刚度的影响。
结果表明：被连接件材料的弹性模量比值越大，螺栓连接刚度越小；被连接件的厚度比值越大，螺栓连接刚度越小；被连接件厚度与螺栓直径比值会减小被连接件材料的弹性模量对刚度的影响和增大被连接件厚度对 刚度的影响。
最后建立螺栓连接的解析公式，与德国工程师协会(VDI )的实验刚度结果对比，计算 误差小于8% ,螺栓连接刚度计算较为准确°关键词：螺栓连接;被连接件刚度；弹性模量；受压层面积中图分类号:TH16 ；TG506文献标识码:AImprovement of Colt Connection Stiffnest Model Based on Finite Element MettodMA Yoli,LIU Guo-chao ,WEI Jia-yong ,LI Can-cn ,LIANG Chen(School of Mechanical Engineering , Dalian Universitr of Technolooy , Dalian Liaoning 116024, China ) Abstrach : Based on the finite element method , the influence of the elastic modulus and thicknes s of theconnected material on the stiffness is studied. The resultr show that ： the larger the elastic modulus ratio of the connected material is, the smaller the stiffness of the bolted connection is. The larger the thickness ratioof the connected pare is , the smaller the stiffnes s of bolt connection is. The ratio of the thicknes s of theconneched parhho hhediameherofhheboehwi e reducehheinfeuenceofhheeeashicmodueusofhhemaheriaeof hheconneched parhon hheshi f ne s and increasehheinfeuenceofhhehhickne s ofhheconneched parhon hhe stiffness. Finlly , the analytical formula of bolt connection is established. Compared with the experimental resultr of VDI, the calculation error is less than '% , and the calculation of bolt connection stibness is moreaccurahe.Key wo C s : bolted joints ； stiffness of connected pats ； elastic modulus ； compression layer area0引言螺栓连接性能的主要指标之一就是其刚度，它直 接影响结构性能甚至于机器整机性能或精度,所以各 国学者开展了大量研究。
应用有限元技术计算螺栓联接的方法研究
螺栓( M20) : 底径为 17. 294mm, 12 个均布; 单个螺栓预紧力: FB= 5 000N ; 轴向工作载荷: F Z= 7 200N 。
收稿日期: 2003- 04- 24。 作者简介: 陆秉权( 1973- ) , 男, 1996 年毕业于吉林工业大学机械工程系, 工程师。
参考文献:
[ 1] 龚悦. 数理统计在发电设 备可靠 性指标 预测中 的应用 [ J] . 黑 龙江电力, 2002, 24( 6) . (接合面, 螺母与法兰采用 接触单元模拟, 摩擦系数取 0. 2。
将整个结构的单元划分完成后, 开始定义螺 栓的预紧截面, 这是关键一步。
采用 PSMESH 命令: 选择截面位置, 定义截面 编号和名称, 指定预紧力参考的坐标系和方向。
至此, 计算模型基本建立完毕。 2. 2 施加边界条件并求解 2. 2. 1 总体结构的剖切面按周期对称约束条件 处理, 并约束轴下端面的位移。
摘 要: 采用有限元技术, 应用 ANSYS 程序软件分析螺栓联接问 题, 建立 计算模 型, 施 加边界 条件并 进行求解 ,
得到螺栓联接结构 的应力分布情况。该种计算方法能够充分考虑螺栓联接结构的应力集中和接触 特性的影响 ,
可用于解决大型水 轮发电机组部件联接等问题。
关键词: 螺栓联接; 接触; 预紧力; 载荷 步; 有限元法
5 结束语
总之, 可靠性指标是衡量设备技术状况的重 要依据, 是规划设计、设备制造、安装调试、运行维 修等环节综合水平的度量, 可靠性指标在指导状
态检修和设备治理中发挥了重要作用。设备的可 靠性指标是企业竞争力的重要表现。在主、辅设 备中推行状态检修, 使小修间隔适当延长, 加强可 靠性目标管理, 把全厂指标分解到部门, 进行跟踪 管理和考核, 是进行可靠性分析及管理的最终目 的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
图3 算例1(多点约束单元法)连接网格
图4 算例2(梁元法)连接网格
在圆筒端面中心建立不属于结构模型的参考节点，通过加权平均约束单元RBE3，建立端面节点与参考点的主从约束关系。
外加载荷施加在参考点上，然后被均匀分配到端面节点。
这里，对于多个面的网格划分，应当注意在各几何连接面法矢量的一致性。
这样划分网格时，才能保证shell单元法矢量的一致性。
图2显示了各面的法矢量方向是一致的。
图2 面法向量方向图
对于复杂曲面模型，还应当注意连接面接缝处网格协调;网格划分结束，必须用Equiva lence合并相同节点。
图5 整体模型有限元网格
2.3材料属性、边界约束及载荷
计算中所使用的材料参数如下：
圆筒：E=70 GPa，μ=0.3
螺栓：E=184GPa，μ=0.3
底部法兰在8处螺栓处约束，在独立节点处施加联合载荷。
3 有限元结果
3.1 应力云图
从图6、图7看出，两种模拟方法，结构整体应力分布相当。
图6 算例1(多点约束单元法)应力云图
图7 算例2(梁元法)应力云图
3.2 螺栓强度核算
在两算例中，可以在F06结果文件中得到螺栓对应的节点编号和节点载荷。
从结果文件可以看出，模拟螺栓的两对应节点载荷大小相等、方向相反。
所以，只需取其中一个节点分析即可。
下表1、表2以8个上法兰节点为例，各节点载荷分量即为单个螺栓所受的载荷，载荷单位N。
表1 算例1(多点约束单元法)螺栓连接处节点载荷
表2 算例2(梁元法)螺栓连接处节点载荷
由表可以看出，Fy为连接螺栓的轴向载荷，正值表示螺栓受拉，负值表示螺栓受压缩载荷。
而实际工作状况下，连接螺栓是不会受压。
表中负值的出现，是由构成单元的两节点之间位移约束特性所决定，这里应当舍负取正。
表1、2中各对应节点Fy值近似相等，Fx和Fz值有所差异。
为了计算方便，以表1(算例1多点约束单元法)为例，分别选取螺栓最大拉伸载荷和螺栓最大剪切载荷计算其相关强度，计算结果偏保守。
螺栓材料1Cr18Ni9Ti，M6
螺栓拉伸载荷：Fy=4194 N
螺栓剪切载荷：
螺栓拉伸：
螺栓剪切：
根据第4强度理论：
螺栓剩余强度系数：
说明螺栓强度满足要求。
4 分析与结论
由上分析可知，在有限元分析时，多点约束单元法和梁元法均可以对装配体中的螺栓进行模拟。
细节处的节点载荷有差异，但不影响整体结果正确性。
两种方法求得的相应节点载荷可用第四强度理论对螺栓进行校核。
相对来说，多点约束单元模拟事先不需要知道螺栓直径大小，只关心螺栓连接位置，操作上要方便;梁元法则需要设置许多相关几何参数，如直径，向量等，在几何外形上与螺栓更为相象，但操作上要复杂一些。
对于机载设备装配体中螺栓连接，均可以做上述近似处理。
具体采用何种模拟方法，由分析人员根据实际情况而定。