1 紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究_王建国
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。
螺栓装配过程有限元分析高效联合仿真研究
北京大学学报(自然科学版) 第59卷 第6期 2023年11月Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 6 (Nov. 2023)doi: 10.13209/j.0479-8023.2023.087螺栓装配过程有限元分析高效联合仿真研究李翔1沈超2,3刘钊1刘才山1,†刘燕2,3刘超41.北京大学工学院, 湍流与复杂系统国家重点实验室, 北京 100871;2.天津市紧固连接技术企业重点实验室,天津 300300; 3.航天精工股份有限公司, 天津 300300; 4.中国航发四川燃气涡轮研究院,成都 610500; †通信作者摘要针对目前有限元仿真手段在螺纹紧固件预紧过程研究中的不足, 借助ANSYS的APDL, 将过盈配合法与直接扭转法相结合, 提出一种能够保证计算精度的高效预紧手段。
首先通过模拟收口塑性成型过程, 获得收口加工前后的螺纹副结构有限元模型, 继而实现收口防松螺母的装配过程仿真。
利用不同的预紧手段模拟装配过程, 获得螺纹副承载分布、接触应力状态和扭拉关系。
通过对比未收口螺母的数值解与理论解, 验证所建模型以及仿真过程的可靠性。
通过对比不同预紧手段的计算时间和数值结果, 证明联合预紧手段是可靠而有效的。
关键词ANSYS; 预紧方法; 扭拉关系; 螺纹副受力; 收口防松螺母紧固件Efficient Combined Simulation Research of Finite Element Analysisfor Bolt Assembly ProcessLI Xiang1, SHEN Chao2,3, LIU Zhao1, LIU Caishan1,†, LIU Yan2,3, LIU Chao41. State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871;2. Tianjin Key Laboratory of Fastening Technology, Tianjin 300300;3. Aerospace Precision Production Co. Ltd., Tianjin 300300;Abstract Current finite element (FE) simulating methods for pre-tightening process of thread fasteners have some shortcomings. In order to ensure the accuracy and efficiency simultaneously, the interference fit method and the direct torsion method are combined via ANSYS APDL to form a new pre-tightening means. Firstly, FE models of the thread pair structure before and after simulating the necking plastic forming process are obtained. Further assembly process simulation of the necking anti-loosening nuts is realized. Via different pre-tightening methods for simulating the assembly process, the thread pair load distribution, the contact stress state and the torsion-tension relationship can be obtained. Via comparing the numerical results of the zero closure amount nuts with some theoretical solutions, the reliabilities of the FE models and the simulation process are verified. Furthermore, the calculation time and numerical results of different pre-tightening methods are compared to prove the combined pre-tightening method is reliable and effective.Key words ANSYS; pre-tightening method; preload-torque relationship; thread pair force; necking anti-loosening nut fastener螺栓连接结构是工程技术的重要基础组件, 普遍存在于火箭舱段、航空发动机等重大设备中。
基于ANSYS的压力容器螺栓连接有限元分析
基于ANSYS的压力容器螺栓连接有限元分析作者：***来源：《粘接》2021年第08期摘要：根据GB 150.1—150.4-2011《压力容器》以及有关设计实践，可知压力容器螺栓的常规设计方法偏向于稳定性，因此造成其各部位所受拉力较高，材料损耗严重。
基于此，提出基于ANSYS的压力容器螺栓连接有限元分析。
以有限元分析为基础，输入材料参数，对连接结构进行参数化建模，选择单元格类型及划分网格，规定约束和边界条件，计算螺栓组剪力及工作拉力。
实验得知，本设计方法与传统方法相比，在受力方面较小，即表面处的径向应力约等于内表面上的压力，具有较高实用性。
关键词：压力容器;ANSYS;螺栓连接;有限元中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0136-04Finite Element Analysis of Bolt Connection ofPressure Vessel Based on ANSYSZheng Zhoujie（Zhuhai Technician College， Zhuhai 519000， China）Abstract：According to GB 150.1—150.4—2011 “Pressure Vessel” and related design practice， it can be seen that the conventional design method of pressure vessel bolts is inclined to stability， which results in high tension and serious material loss in each part. Based on this， the finite element analysis of bolt connection of pressure vessel based on ANSYS is proposed. Based on finite element analysis， input material parameters， carry out parametric modeling of the connection structure， select cell types and divide grids， specify constraints and boundary conditions， andcalculate bolt group shear force and working tension. Experimental show that compared with traditional methods， the design method in this paper has less stress， that is， the radial stress on the surface is approximately equal to the pressure on the inner surface， which has high practicability.Key words：pressure vessel; ANSYS; bolted connection; finite element0 引言压力容器作为重要的存储设备，被广泛应用在化工、能源、冶金以及石油等诸多领域内。
复合材料结构中螺栓拧紧的有限元仿真研究
ｔｈｒｅａｄｅｄ ｆａｓｔｅｎｅｒｓꎬ ｗｈｏｓｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｅｒｒｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ４％. Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ
１３ ７７２.３
１４ ３０１.８
１７ ７４０.５
１５ ９４０.５
１７ １３１.５
１４ ３９４.０
１１ ０３２.０
２１ ９３３.８
２０ ９４６.８
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１５ ４７７.６
１３ ３５１.２
１３ ８１０.６
１７ ３４３.２
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｂｏｌｔ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇꎻ ｐｒｅｌｏａｄꎻ ＣＦＲＰꎻ ＦＥＡ
计算模型的可靠性ꎮ
０ 引言
１ 仿真方法
碳纤维 / 环氧树脂基复合材料结构在飞机设计中已经
首先对转矩法原理进行分析ꎬ分析导致预紧力产生偏
获得了大量运用ꎬ并且螺栓连接作为主要的机械连接形
差的主要变量ꎮ 目前在飞机复材结构的装配过程中ꎬ主要
１５ ５６７.９
１６ ７０１.０
１３ ８６０.３
１０ ６１１.９
２１ １６２.６
２０ ８２８.３
１７ ７４５.８
１７ ２２８.８
２.４２
３.０６
螺栓连接有限元模拟方法的应用研究
１ ． ２ 有限元模型单元类型的选取
有 限 元分 析过 程 中 ，选 择 恰 当的 单 元 类 型 ， 不 但 可 以提 高 计 算 速 度 ，而 且 能 够 保 证 计 算 结 果 的正 确 性 和 准 确 性 。模 型 中采 用 的是 壳 单 元 和 实
体 单元 。 壳 单 元 既 具 有 弯 曲 能 力 和 膜 力 ，也 可 以 承 受
械 、汽 车 以及 各种 工 程 结 构 之 中 。由 于 螺 栓 力 学 作 用 相 当复 杂 ，很 难 建 立 起 统 一 模 型 进 行设 计 计 算 。传 统 的解 析 方 法 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 ， 对螺栓进 行强度校 核Ｈ 】 。这 种 方 法 没 有 考 虑 到 连
平 面 内荷 载 和 法 向荷载 。单 元上 的每 个节 点 具 有６
个 自 由度 ：沿 节 点 坐 标 系Ｘ、Ｙ、Ｚ 方 向的 平 动 和 沿 节 点 坐 标 系ｘ、Ｙ、Ｚ轴 的转 动 。 应力 刚化 和 大 变 形 能 力 已经 考 虑 在其 中 。在 大变 形 分 析（ 有 限 转 动） 中可 以采 用不 变 的切 向刚度 矩阵 。如 图 １ 所示 。
来 越广 泛 。
不 同 的建 模 方 式 ，繁 琐 程 度 不 同 ，计 算 工 作 量 不 同 ，计 算 结 果 精 度 也 不 同 ， 那 么 ， 如何 建模 能 更 简 单 而 且 接 近 实 际情 况 ，就 成 为 一 个很 现 实 的 问 题 。基 于 有 限 元 分 析软 件 Ｈｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ｓ ，对一 种 螺 栓 连 接 方 式 进 行 了探 讨 ，分 析 了 四种 模 拟 方 法 ，并 进行 了试 验 验证 。
螺栓联接的有限元建模方法
螺栓联接的有限元建模方法
首先，螺栓联接的有限元建模需要考虑螺栓的几何形状和材料
特性。
通常情况下，螺栓可以用实体元素或者壳体元素进行建模，
实体元素适合用于建模螺栓的杆部分，而壳体元素适合用于建模螺
帽和螺母。
此外，由于螺栓通常由金属材料制成，因此需要考虑材
料的弹性模量、泊松比和屈服强度等参数。
其次，螺栓联接的有限元建模还需要考虑螺栓与连接件之间的
接触和摩擦。
在建模过程中，需要设置适当的接触条件和摩擦系数，以模拟螺栓与连接件之间的接触行为。
这一点对于模拟螺栓联接在
受力时的变形和应力分布非常重要。
另外，螺栓联接的有限元建模还需要考虑螺栓的预紧力。
预紧
力是螺栓联接中非常重要的参数，它对于螺栓的应力和变形具有重
要影响。
在建模过程中，需要考虑如何施加预紧力，并且需要进行
相应的后处理分析，以评估螺栓在预紧力作用下的应力状态和变形
情况。
最后，螺栓联接的有限元建模还需要考虑螺栓在受载时的受力
情况。
这包括考虑螺栓在受拉、受剪和受扭等不同载荷作用下的应
力和变形情况。
通过有限元分析，可以评估螺栓在不同载荷作用下的安全性能，进而指导工程设计和实际应用。
总的来说，螺栓联接的有限元建模涉及到螺栓的几何建模、材料特性、接触摩擦、预紧力和受载情况等多个方面。
通过综合考虑这些因素，可以进行全面的有限元分析，为工程设计和实际应用提供可靠的参考依据。
单边螺栓拉拔试验的有限元模拟
单边螺栓拉拔试验的有限元模拟
汤镇州;覃健桂
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2018(040)005
【摘要】钢管混凝土柱结合了钢结构和混凝土两者的受力性能,混凝土核心为钢管承受大部分的轴向压力,加强钢材的稳定性,防止钢材的局部失稳;钢管包围混凝土,使混凝土三向受力,大大提高了混凝土的抗压承载力.但是,由于钢管四周封闭,方钢管混凝土柱与型钢梁的半刚性连接有有较大的困难,而单边螺栓的发明解决了这个问题.本文主要通过abaqus有限元仿真软件,对此类节点进行有限元模拟,提出此类节点的两种有限元研究方法,并通过实验数据证明此种方法的可行性.
【总页数】4页(P37-40)
【作者】汤镇州;覃健桂
【作者单位】华南理工大学土木与交通学院, 广州 510640;华南理工大学土木与交通学院, 广州 510640
【正文语种】中文
【中图分类】TU392.3
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5.膨胀螺栓拉拔试验力学性能初探 [J], 蒋新明
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塔式钢框架模态试验及半刚度模拟
塔式钢框架模态试验及半刚度模拟
方有亮;李建兴
【期刊名称】《江苏建筑》
【年(卷),期】2010(000)001
【摘要】文章时螺栓连接的塔式钢框架结构进行了模态实验研究,并利用有限元软件进行了模拟,通过对其节点及边界条件的半刚度模拟,使模型更加合理,分析结果更加可靠.在此基础上对具有局部损伤的结构作了模态分析,进一步验证了半刚度模拟的合理性.
【总页数】3页(P41-43)
【作者】方有亮;李建兴
【作者单位】河北大学建筑工程学院,河北保定,071002;河北大学建筑工程学院,河北保定,071002
【正文语种】中文
【中图分类】TU391.5
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承受预紧力和工作载荷的紧螺栓，螺栓所受到的总拉力并不是预 紧力跟工作拉力之和，而等于残余预紧力 和工作拉力 之和。而残余 预紧力与预紧力又存在如下关系：
式中：
——螺栓的相对刚度。
整理后可得螺栓的总拉力为 :
（1）
（2） 物理模型描述：采用性能等级 4.6 级的 M6 普通螺栓，采用金属 垫片对两连接件进行连接，假定预紧力 F0=5000N，所受的工作拉力 F=1000N，试校核螺栓的强度。 在上述物理模型的描述中可得，螺栓的相对刚度可取 0.2 ～ 0.3， 此 处 取 0.25， 将 相 关 数 据， 带 入 式 3 可 得 螺 栓 所 受 的 总 拉 力 为 F2=5250N，鉴于螺栓在轴向力作用下需要进行拧紧补充，同时考虑到 转切应力的影响，故需要将轴向总力提高 30%，因此，螺栓的危险截 面的拉伸强度为：
螺栓连接的螺栓的最大应力发生的位置在 螺栓连接位置处，螺栓的危险截面的最大应为 236Mpa，跟前文的理 论分析结果 239MPa 相吻合，说明此螺栓连接的有限元简化模型合理。 采用有限元分析的方法，可以大大降低螺栓强度校核计算量，而且可 以更加直观地显示危险位置所在的位置，为下一步的理论分析及解决 方案的确立提供参考。
（3）
将相关数据带入式 3 可得，σca=239Mpa<[σ]=240Mpa，可得螺栓强 度满足使用要求。
3 承受预紧力和工作载荷的紧螺栓的有限元分析
根据上述的物理模型，进行有限元建模，建立有限元螺栓模型并 对其进行网格划分。 在有限元进行分析的过程中，采用螺栓的实体连接存在计算量大、 计算不收敛等问题，对螺栓连接进行简化，由于结构形状和载荷存在 对称性，为降低计算量，使计算结果显示更加直观，建立 1/4 模型。 采用预紧单元 PRETS179，并创建预紧截面命令 PSMESH，施加预紧 力载荷进行有限元分析。 在预紧截面上施加预紧力 F0=5000N 以及工作拉力 F=1000N，然 后进行求解。进行受力分析后，得螺栓的应力云图如下图所示。
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。根据力学知识，螺栓的总拉力跟预紧力跟 工作拉力有关以外，还会受螺栓以及连接件的刚度等因素相关 。 [5-6]
参考文献： [1] 江国栋 , 陈彤 .25Cr2Mo1V 钢裂纹扩展机理的研究 [J]. 煤矿机械 ,2004. [2] 卢洪 . 高强度螺栓断裂失效分析 [J]. 福建工程学院学报 ,2009. [3] 吴正佳 , 周进 , 任芬芬 , 张成 . 杜义贤基于 Pro/E Mechanica 的 带螺栓多约束组件结构分析与优化设计 [J]. 煤矿机械 ,2010. [4] 杨敏 . 螺栓连接结构的一种简化数值模拟方法 [J]. 机械设计与制 造 ,2012. [5] 高旭 , 曾国英 . 螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析 [J]. 润滑与密封 ,2010,35(04):68-71. [6]DS SolidWorks 公 司 .SolidWorks Simulation 基 础 教 程 2012 版 [M]. 北京：机械工业出版社 ,2012.
4 结论
由上分析可知，对螺栓进行强度校核时，可以采用有限元的预紧 单元 PRETS179 进行仿真模拟。跟传统的理论公式的推导相比，细节 处的节点载荷有差异，但不影响整体结果的正确性，而且计算结果更 加直观，为综合分析提供更加准确而全面地分析。对于机载设备装配 体中螺栓连接，此方法更具有实用的工程价值，对于螺栓的布置方式、 螺栓的选型设计，也具有一定的参考意义。
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]
工业技术
20
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究
王建国 （济南鑫光试验机制造有限公司 , 济南 250214）
摘 要：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。 关键词：螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真