5_UG有限元螺栓连接分析实例_沈春根
螺栓联接接触问题有限元分析
螺栓联接接触问题有限元分析作者：王熙婷来源：《工业技术创新》2017年第06期摘要：研究螺栓联接结构形式复杂接触的承载特性，对比分析螺栓简化前后连接件受力和位移变化情况。
在三维图形设计软件Pro/E中构建模型，导入有限元软件ABAQUS中进行模拟仿真。
螺栓联接装配体连接件在与螺栓接触的位置易发生应力集中，且应力分布梯度变化较大；在远离螺栓联接的位置，简化前后应力分布相差不大；螺栓联接简化前后位移变形分布云图基本相同。
关键词：螺栓联接；接触问题；有限元分析；Pro/E；ABAQUS中图分类号：O343.3 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 06-011-04工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.06.003引言螺栓联接是机械装配体中应用最广的一种结构形式，通过螺栓将两个连接件连接在一起，形成一个整体传递力与扭矩。
对螺栓联接的承载特性进行研究，能够更好地指导螺栓联接结构形式的智能制造。
ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。
ABAQUS不但可以进行单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究[1]。
对整个螺栓联接装配体进行有限元分析时，为节约计算资源，常常简化模型，将两个连接件接触面Tie在一起，这对模拟分析结果必然产生影响。
本文采用ABAQUS对比螺栓简化前后连接件受力和挠度变化情况，以及确定使用简化分析模型的前提条件，为螺栓联接结构形式的应用提供理论依据。
1 模型构建在任何一个大型设备中，螺栓联接是其必然存在的结构形式。
本文采用两个螺栓联接两块连接板的情形作为分析对象，其中一块连接板作为固定板，另一块连接板作为加载板。
该装配体在三维图形设计软件Pro/E中建立，完成后的模型如图1所示。
2 有限元模拟2.1 几何模型转化在Pro/E中建立的螺栓联接装配体几何模型，通过中间软件UG NX对细小结构进行修改和简化，保存文件为中间过渡格式.step，使修改后的模型能够满足进行有限元模拟的要求。
0_NX仿真教学笔记2020_沈春根
NX仿真教学笔记 （2020版）
江苏大学 沈春根 2011年 第1版 2017年 第2版 2020年 第3版
静力学、非线性、动 64个课时； 扩展模块分10块，视情况择块讲解； 以跟随操作为主，穿插介绍有限元概念； 根据具体需要（接受程度、专用模块需求）内
② 演示建立多个solution。 ③ 演示克隆解算方案。 ④ 建立子工况及其作用。 ⑤ 自定义材料实例演示。
第3天 – 内容
① Z字型底座受力分析流程，1）拆分六面体方法；2） 网格配对初步；3）单元和节点的显示；4）强调熟 练掌握分析流程的重要性。
② 阶梯轴零件六面体划分，轴承力载荷。 ③ 中空套类零件六面体划分。 ④ 网格控制、网格细化命令演示，中间带孔底座四周
第8天 – 内容
① 网格划分提高实例演示。 2D相关网格、2D映射网格、FEM几何体清理。
① 对称约束、轴对称应用实例。 ② 耦合约束、循环对称应用实例。 ③ 非均匀载荷及其应用实例。 ④ 求解无结果的常见问题。
第9天 – 内容（扩展模块1）
① 屈曲失稳分析。 ② 模态结构仿真分析。 ③ 几何尺寸优化分析 。 ④ 非线性结构分析。 ⑤ 零件疲劳分析。
② 0D及其应用实例：1）0D在网格点/点；2）0D均布 到棱边上；3）0D均布到面上。
③ 台阶周受到不平衡质量点，在某个转速下分析： ④ 1D蛛网连接：1）中心点和端面连接；2）中心点和
内孔圆柱面连接。 ⑤ 轴零件施加力矩实例演示。
第7天 – 内容
① 螺栓螺母连接受力分析演示。 ② 螺钉连接受力分析。 ③ 0D1D2D综合实例。 ④ 1D装配件实例。
应力集中案例演示。 ⑤ 四面体、五面体（混合网格）和六面体的应用。
15_UG有限元带阻尼振动分析_沈春根
0D单元
1D单元
0.2 弹簧单元 – 属性参数表（一维弹簧单元）
PELAS (CELAS2)
PELAS (CELAS1)
0.3 弹簧单元 –
属性参数表（三维弹簧单元CBUSH）
注意：CBUSH1D为一维弹簧单元
0.4 阻尼单元 – 描述
0D单元
1D单元
0.5阻尼单元 – 参数表
PDAMP (CAMP1)
PDAMP （CDAMP2）
0.6 质量单元- 描述
0D单元
1D单元
0.7 质量单元- 参数表
PMASS (CMASS1)
PMASS (CMASS2)
0.8 创建弹簧、质量和阻尼单元的2种方法
1.1 弹簧质量单元静力学分析- 提出问题
此端固定， Z拉伸方 向
弹簧刚度 设定为 10N/mm
计算弹簧的变形量
该节点固 定，X方 向变形
弹簧刚度 设定为 10N/mm
采用有限元计算固 有频率
该节点 质量为 1Kg
2.1 无阻尼单自由度振动系统 – 理论公式
K=1000N/m; M=1Kg。
理论计算： f = 15.924 Hz。
2.2 固有频率计算 – 创建弹簧单元并设置参数
创建1条 直线和2 个点
此端向 下拉力 10N
1.2静力学分析- 构建fem模型及参数
拉伸Z 方向
还可以采用 单元创建命 令（手工）
阻尼系数不影响 静力学计算结果
1.3静力学分析- 构建的弹簧单元
隐藏辅 助线
网格显 示和标 签显示
1.4静力学分析-构建sim模型并求解结果
位移云图
反作用力云图
2.0无阻尼单自由度振动系统 – 固有频率计算
UGNX有限元单元质量检查沈春根
数据）是否符合求解的要求。
1.2 有限元模型检查 – 主要内容和命令1
是最基础的，也是 最重要的命令之一！
1.3 有限元模型检查 – 主要内容和命令2
2.1 单元质量检查 – 评价/检查指标（系统检查）
2.2 单元质量检查 –检查指标（用户可控）1
更新有限元模型：单元解锁之后，一般需要 进一步操作更新有限元模型。
红色为错误单元，黄色为警 告单元；
一个一个查看选项的指标， 可以观察得到哪项指标超差。
3.2 检查实例 - 进一步核查哪项指标超差
3.3 检查实例 – 修改阈值即可通过检查
实际中不建议这么 操作！
3.4 检查实例 – 改善单元质量的方法
单元类型： CQUAD4 单元大小： 2.5mm；
方法1：改 变单元类型； 方法2：减 小单元大小； 方法3：修 复单元，见 下面内容！
单元类型： CTRIA3
单元大小： 3.5mm；
4.0 修复单元方法- 常见的有3种
方法1：分割单元（分割壳），使得单元类型更加简 单，比如对1个四边形单元分割成2个三角形单元，成 功率高得多。
方法2：拖动节点，重新定位模型中的个别节点位置， 改善单元形状的宽高比。
方法3：删除单元，重新手工划分更为简单类型的单 元，降低单元的阶次。
0.805927，就是等边四面体的高度与边长之比， 其结果就是宽高比。 使用等边四面体单元，宽高比值为 1。
定义五面体和六面体的宽高比，略有不同。
2.5 单元质量检查 – （部分单元）阈值示例
根据超出阈值的范围，分为警告和错误两类级别！
3.1 检查实例- 四边形单元 – 按默认限制值结果
14_UG有限元焊接分析_沈春根
此棱边或者附近建立 一条焊缝
2.0 实例基本情况- FEM模型
板1
板2
2.0 实例基本情况- SIM模型
此棱边或者 附近区域建 立不同类型 的焊接单元
2.1 CWELD实例_步骤1，weld单元
2.1 CWELD实例_步骤2，焊接属性
2.1 CWELD实例_步骤3，显示焊接单元
显示的红色区域，即 为建立焊缝（点焊）
ugnx有限元分析焊接连接分析江苏大学沈春根2017年3月第1版ugnx有限元培训专题14ugnx100版本目录?焊接连接基础?cweld命令有限元实例?点焊命令有限元实例?焊接连接的总结10焊接连接基础ugnx提供的方法?提供了2类焊接方法分别是cweld和点焊
UG NX有限元培训 – 专题14
UG NX有限元分析 焊接连接分析
1.1 焊接连接基础 – CWELD焊接单元
不是实际单元，只是简单的连接定义。在解算模型 时，NX Nastran 会在内部生成约束方程，用于定义 CWELD 连接的刚度（和CFAST相似）。
不能使用 CWELD 连接命令连接使用同一物理属性 表的 2D 网格。
必须定义焊接单元的属性（焊接材料和焊点直径）。 焊接单元不得超出被焊接的两个面的边界。
的单元！
2.1 CWELD实例_步骤4，sim和求解
Z方向位 移云图
2.2 点焊实例_步骤1，点焊对话框
2.2 点焊实例_步骤2，点焊单元显示
建立的5个 1D刚性梁；
更新顶面、 底面网格。
2.2 点焊实例_步骤3，sim和求解
和cweld 相比，略 大些！
和cwel不 一样，此 处显示1D 刚性梁！
江苏大学 沈春根 2017年3月第1版
UG NX10.0 版本
17_UG有限元扭转刚度计算_沈春根
显然：传动轴设计精度和设计要求越高，该规定
值[θ]越小。 计算出传动轴实际的单位长度扭转角之后，实际 的抗扭刚度就是扭矩除于该单位长度扭转角。
1.3 扭转刚度基本概念 – 应用有限元计算的必要性
通过理论计算可以得到单位长度的扭转角度，和规 定值相比较，从而判断刚度是否满足设计要求； 但实际中，传动轴形状和截面比较复杂，难以通过理 论计算得到扭转角度； 而采用有限元计算，效率高，可以快速计算出整个 长度上最大变形长度值，换算得到最大扭转角度，进
（相对扭转角）为：0.137
（°/m） 可见：刚度满足一般要求， 即小于0.2（°/m）。
5 总结- 扭转刚度校核的基本步骤
采用有限元计算出传动轴切向的最大变形量χ；
换算出轴向长度上的最大扭转角为：χ／d，单位为rad。其中d 为传动轴的最大半径，单位为mm； 转换成单位为度的最大扭转角，即为：χ*180／d*π，单位为° （度）； 计算出单位长度扭转角（相对扭转角），即为： χ*180／d*π/L，单位为（°/m）。其中L为轴向总长度，单位 为m； 结果评判：即上述计算值是否超过设计允许的相对扭转值0.2～1 （°/m）。
UG NX有限元培训 – 专题17
UG NX有限元分析 扭转刚度的计算
江苏大学 沈春根 杭州 Teelon
适合：轴类、套筒类传
济南孔维忠
2017年6月第1版
动件的刚度性能评价
目录
扭转刚度基本概念
扭转刚度理论公式和实例 UG有限元计算实例1-对比 UG有限元计算实例2
1.1 扭转刚度基本概念 – 相对扭转角
理论计算值为0.00222 °
4.1 有限元应用实例2 – 提出问题
联轴器一端固定，另一端受到1000N.m的扭矩；轴向长度为130mm；最 大直径为：100mm；材料为45钢； 计算其最大应力、最大扭转角和单位 长度扭转角。
(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。
11_UG NX有限元对称零件分析实例_沈春根-免费分享
束条件； 施加轴承载
荷；
1.5实例1-对称约束-约束模型和结果
内孔 固定
轴承 载荷
对称 约束
和全模型做 对比分析
2.0.1 轴对称分析-基础知识1
旋转体零件且施加载荷和约束仅为径向和轴向（即 没有相切分量）时，即可采用轴对称分析方法；
非常适合回转轴、压力容器等旋转零件； 操作时，在轴侧的剖切平面上创建有限元模型，大
பைடு நூலகம்
两侧内 孔固定
承受轴 承力载
荷
当零件的结构是对称 的，且包含对称的约 束条件和载荷，则可 以通过将模型切割成 一半，仅分析一半模 型来简化问题。
1.2实例1-对称约束-在理想化中拆分体
1.3实例1-对称约束-处理FEM模型
隐藏一半的多边形体； 赋予材料、物理和网
格属性； 网格划分；
1.4实例1-对称约束-处理SIM模型
2.5 实例2- 进行2D网格划分，并定义材料属性
默认即可
2.6 实例2- 新建仿真、解算方案和施加条件
2.7 实例2-结果显示
剖面结果显示
3D轴对称显示
内压均 布10MP
轴端棱 边固定
2.2 实例2- 新建FEM，选择轴对称结构类型
2.3 实例2- 切换到理想化环境提升体、拆分体
检查模型的 Z轴为对称 轴，否则对 模型进行变
换。
2.4 实例2-切换到FEM模型
步骤2： 选中一个剖面， 通过仅显示，显 示其片体。
步骤1： 检查仿真导航
器各个节点的 变化； 同时隐藏一半 的几何体。
UG NX有限元教学和培训 – 专题11
UG NX有限元分析 常见对称零件分析和应用
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蛛网连接； CBAR 或 CBEAM 单元
1D单元； RBE2 或 RBE3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ单元
0.2 基础- 定义螺栓特征和尺寸
A 螺栓头的直径，使用孔的边或孔的中心点来定义螺栓头的位置； B 螺栓的总长度，包括螺栓头。如果在螺纹孔中创建螺栓，则必须指定螺栓长度。 C 螺栓螺母的直径，使用孔的边或孔的中心点来定义螺栓头的位置。 D 螺栓轴直径，可通过1D 单元关联的梁横截面来控制直径。 E 螺栓的有效螺纹长度。对于螺纹孔中的螺栓，必须指定有效螺纹长度。
0.3 基础- 螺栓螺母连接FEM模型
头部孔端面 单元节点
1D单元
螺母孔端面 单元节点
0.4 基础- 螺纹连接FEM模型
头部孔端面 单元节点
1D单元
和螺纹连接 对应单元节 点
1.1螺栓螺母连接实例-指定螺栓头部及其尺寸
1.2螺栓螺母连接实例-指定螺母及其尺寸
1.3螺栓螺母连接实例-其他参数默认并确定
定义1D 属性
1.4螺栓螺母连接实例- 定义1D属性
截面尺 寸 材料，也 可自定义 材料
1.5螺栓螺母连接实例- 查看导航器窗口数据 结构及其对应关系
1.6螺栓螺母连接实例- 解算结果（垂直方向变形）
底板之间不施加 面面接触约束
底板之间施加面 面接触约束
1.7螺栓螺母连接实例-螺栓轴和接触面结果
UG有限元教学和培训 – 系列专题5
UG NX 有限元
螺栓连接分析实例
江苏大学 沈春根 2011年2月 第1版 2017年3月 第2版 UG NX8.5版本以上
目录
螺栓连接有限元基础
螺栓螺母连接实例；
螺栓螺钉连接实例； 带预紧力螺栓螺钉连接实例；
0.1 基础- 基本原理
螺栓轴采用1D 单元来模拟； 将 1D 单元和孔周围网格节 点之间采用蛛网连接，来模 拟螺栓头部或者螺母和孔端 面接触、螺栓和孔壁接触；
2.1螺栓螺钉连接实例-指定螺纹及其尺寸
调整参数，查 看蛛网变化
2.2螺栓螺钉连接实例- 垂直变形结果
3.1有预紧力螺栓螺钉连接实例-施加预紧力
比较不同预 紧力的各自 结果
3.2有预紧力螺栓螺钉连接实例-对比结果
施加预紧 力的结果
4、参考文献
UG NX CAE帮助文件； UG NX7.0有限元分析入门与实例精讲，机械工 业出版社，2010； UG NX8.5有限元分析入门与实例精讲，机械工 业出版社，2016；