耦合结点子模型法在螺栓联接结构分析中的应用

仿真分析中螺栓连接件的简化方法研究

１.２螺栓预紧力的计算
一般情况下ꎬ螺栓所承受的预紧力不能超过其材
模型单元数量为１６８５８ꎬ节点数为８１８４９ꎬ单元质量平均值为０.８ꎬ网格质量符合要求ꎮ
∗ 收稿日期:２０１９－０１－０７作者简介:黄敬尧(１９９２－) ꎬ男ꎬ北京人ꎬ硕士ꎬ研究方向:机械设计和结构仿真分析ꎮ
��６２��
��机械研究与应用��２０１９年第１期 (第３２卷ꎬ总第１５９期) 研究与试验
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＭｅｔｈｏｄｏｆＢｏｌｔｅｄＪｏｉｎｔｓｉｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓＨＵＡＮＧＪｉｎｇ－ｙａｏꎬ ＰＥＮＧＪｕｎ
( ＣｈａｎｇｃｈｅｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔｒｏｌｏｇｙ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５ꎬ Ｃｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｅｂｏｌｔｅｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓａｒｅａｋｉｎｇｏｆｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｄｅｔａｃｈａｂｌｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ. Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ￣ｔｉｃｓｏｆｔｈｅｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬ ｆｉｒｓｔｌｙｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬ ｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｉｓｓｅｔａｎｄｔｈｅｐｒｅ－ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻ ｔｈｅｎꎬ ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬ ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｕｓｅｄｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｈｅｐｒｅ－ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅｆｏｒｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ. Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｉｍ￣ｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｈａｖｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻ ｐｒｅ－ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅꎻ ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔꎻ ｍｏｄａｌꎻ ｓｔｒｅｓｓ

螺栓联接被连接件弹性交互刚度建模分析与计算

σ′ ｒｈ
＝０，在最大径向接触点位置的压应力 σｒ２＝０，
σ′ ｒ２
＝０，σ″ ｒ２
＝０，则可得：

σｒｚ｜ｒ＝Ｒｈ
＝（４ｃ１ｒ３＋３ｃ２ｒ２＋２ｃ３ｒ＋ｃ４）｜ｒ＝Ｒｈ
＝０
σｚ｜ｒ＝Ｒ２
＝（ｃ１ｒ４＋ｃ２ｒ３＋ｃ３ｒ２＋ｃ４ｒ＋ｃ５）｜ｒ＝Ｒ２
＝０

σｒｚ｜ｒ＝Ｒ２
（１）在螺栓预紧的过程中，被连接件仅仅发生弹性变形；
（２）在螺栓预紧模型中，被连接件仅受到螺栓的轴向载荷作用；
（３）沿着被连接件厚度方向，其受压层的压应力保持均匀不变；
（４）对于螺栓联接组件，单个螺栓的压应力作用保持椎体分布。
２螺栓联接结构弹性交互刚度模型构建
对于螺栓联接，假设被连接件的压应力分布为
螺栓联接被连接件弹性交互刚度建模分析与计算①
孙文芳
（安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥２３００８８）
摘要：为了更加精准的描述螺栓联接被连接件交互刚度的理论模型，引入了被连接件的压应力呈现圆锥体分布，沿着被连接件厚度方向其受压层的压应力保持均匀不变，且在任意受压层上压应力为径向尺寸的４次关系式的假设，由此提出了螺栓联接结构弹性交互刚度理论精准模型，结合有限元仿真技术对构建的理论模型进行验证，结果表明：建立的单螺栓联接弹性交互刚度理论模型基本能够精准刻画被连接件的连接性能特征，同时得到螺栓联接结构弹性交互刚度伴随着待测点到螺栓孔轴线距离的增加而呈指数增长的趋势，对于多螺栓组中螺栓间距的布置具有指导意义。关键词：交互刚度；压应力分布；螺栓联接；有限元仿真中图分类号：Ｕ４６１；ＴＰ３０８文献标识码：Ａ
＋２Ｒ２）
ｃ３＝６Ｒ２φ（２Ｒｈ＋Ｒ２）

螺栓联接结构振动特性有限元分析方法的研究

假设粗糙接触表面为在光滑表面上分布了一
系列按高斯分布的独立的球状微凸体，提出了并在弹性范围内应用于粗糙表面接触研究的ＧＷ
模型Ｊ。相关文献研究了简单几何形状的接触性能并对Ｇ模型进行了扩展，究了法向载Ｗ研荷、向载荷、面形貌等对切向刚度的影切表响Ｊ。赵永武等对于用ＧＷ模型时，由于较大较大法向载荷产生的严重偏差和微凸体的相互影响进行了修正Ｊ。薛闯等应用有限元方法计算
了１％～２％。这样就给系统固有频率的精００确分析带来了很大的困难。因此，研究系统振在
收稿Ｅ期：０１— ７—２ｔ２１０１
作者简介：赵帅（９３一）男，１８，河北秦皇岛人，在读硕士，主要研究方向：空发动机强度、航振动及噪声，－ｉ：ｉｅ＠ｓａｃｍ；Ｅｍａｌｗｈｔｙｉ．ｏｅｎ
ｔｒｓｉｓｏｈｙｓｅｉｎａｙｅｅｉｔｆｔｅｓｔｍＳａｌｚｄ．ｃ
Ｋｅｙｗｏｒ：ｃｎｔｃｔｆｎｓｄｓｏａｔｓｉｆｅｓ；ＦＥＭ；ｄｎｙａｉｈａａｔｒｓｉｓ；ｂｏｍｃｃｒｃｅｉｔｃｌｔ
ＺＨＡＯｈａ，ＡＮＧ — ｉＳｕｉＷＫｅｍｎｇ，Ｕｎｇ，ＩＭＰｅＭＡＯＨｕｉＡＩＳｕ— ｉ，ｈｍｎ
（ａｕｔｆｅｏｐｃｎｉｅｒｇＳｅｙｎｅｏｐｃｎｖｒｔ，ｈｎａｇ１０）ＦｃｌｏｒｓａｅＥｇｎｅｉ，ｈｎａｇＡｒｓａｅＵｉｅｓｙＳｅｙｎ１６ｙＡｎｉ１３

CK1416数控车床整机结合面动力学特性建模与仿真

CAD 园地C K1416数控车床整机结合面动力学特性建模与仿真Ξ东南大学　(210096)　纪海慧　卢　熹　张建润　孙庆鸿　陈　南南京数控机床有限公司　(210007)　孙序泉　汤本金　周永良　罗　狄　张志英　陈佩民摘要　影响机床动态设计和仿真精度的一个关键技术是在机床动力学建模过程中对结构结合面的处理。

本文提出了一种基于试验与参数优化组合的方法,解决了CK1416高速精密数控车床中界面的动力学建模问题。

该方法对于机床结构的动态设计和仿真建模具有普遍适用性。

关键词　结合面　动力学建模　优化对于机床类大型复杂的机械结构有限元建模,由于离散化误差、材料物理参数的不确定性、边界条件的近似处理以及动力学结合面参数估计不准等因素,使得有限元模型产生一定的误差。

而在动态设计中对模型影响最大的因素之一是零件之间的结合面的建模。

如何准确的识别机床结合面的接触刚度和接触阻尼,并能通过系统建模实现机床结构动态优化设计,一直是国内外动力学建模领域研究的难点和热点之一[1]。

本文提出以模态试验测试结果优化为目标,界面中接触单元的法向刚度和切向刚度及摩擦系数为变量的优化方法。

对有限元模型进行修正,逐步逼近,从而提高建模精度。

图1　CK1416数控车床CAD 模型图1所示是C K1416数控车床的模型(床身、主轴箱和主轴、尾架系统、十字拖板),它是将要开发设计的高速精密数控车床的原型。

对它的动力学建模与分析是开发新一代车床的理论基础。

该车床结构中有许多结合面。

如何准确描述这些结合面的特性将是建模的关键。

本文将以C K1416数控车床主轴箱和垫板连接件为研究对象,研究在有限元模型中建立带有螺栓结合面的建模方法和动态特性。

进而推广整机建模中去。

一、结合面接触状态和接触刚度的设定在结合面的模型建模中,将接触表面中的间隙处理为虚拟的接触单元,这样两个物体之间的接触系统就可以看作一个整体。

当对这种虚拟的接触单元的参数进行适当赋值后,它就能较为精确的反映大面积接触区域的特点。

自攻螺钉拉剪耦合作用数值分析

近年来，国内对于自攻螺钉的研究越来越多，梁
钉拉剪共同作用下的承载力研究国内尚未有相关的
设计标准。本文利用有限元分析软件对自攻螺钉拉剪连接模型进行数值分析，引入接触非线性以及材料非线性，并考虑不同参数对其承载力的影响。
～一．～一～一～一～一一～一～～一一～～～一
ＷｕＹｉｎｆｅｉＺｈｕＺｈａｏｑｕａｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９８，Ｃｈｉｎａ）
Ｅｍａｉｌ：９２４６４５０８９＠ｑｑ．ｅｏｍ
收稿日期：２０１６— ０８—１７
钢结构
２０１７年第２期第３２卷总第２１８期
昊银飞，等：自攻螺钉拉剪耦合作用数值分析
ｌ有限元模型建立
．。
剪性能研究，得出了自攻螺钉在波峰连接时其抗剪刚度及强度都远低于波谷连接；李元齐等进行了自攻螺钉抗拉性能试验研究，对比了各国技术标准
存在拉力的作用，大部分自攻螺钉处于拉剪共同作用受力状态。随着轻钢结构的不断推广，针对轻钢结构抗风性பைடு நூலகம்能的研究逐渐增多，作为常用连接件

螺栓连接中预紧力的有限元分析

螺栓连接中预紧力的有限元分析摘要：利用有限元分析软件ANSYS建立了螺栓连接的有限元模型，采用了预紧力单元法和温度收缩法模拟预紧力两种方法，分析了不同载荷条件下螺栓结构的轴向变形图和轴向应力图，并将有限元分析结果与理论分析进行对比，以验证建立的有限元模型的有效性，为分析复杂结构中螺栓连接结构的简化提供了理论依据。

关键词：螺栓连接结构；预紧力单元法；有限元分析；温度收缩法0引言为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等，各种连接得以广泛地使用[1]。

其中，螺栓连接是最为常见的一种连接方式，其在装配时都需要施加一定的预紧力，目的是增强连接的刚度、紧密性和放松能力，防止受载后被连接件之间出现缝隙或滑移。

合适的预紧力对结构的疲劳强度是有利的，但是过大的预紧力会使连接结构失效。

因此，螺栓连接中控制预紧力十分重要。

螺栓连接结构中有限元分析中，螺栓连接预紧力的模拟对结构的应力和形变有一定的影响，特别是一些对螺纹连接紧密性要求较高的结构，如汽缸盖、轴承盖、齿轮箱等。

本文研究了螺栓结构中的预紧力，应用ANSYS软件螺栓结构建立了全尺寸三维有限元接触模型，并利用预紧力单元法和温度收缩法模拟预紧力两种方法，为复杂结构中的螺栓结构简化提供了理论依据。

1有限元法简介有限元分析的基本思想是用较简单的问题代替较复杂的问题。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。

[2]主要分为前处理、求解和后处理3个阶段。

前处理模块主要用于建立有限元模型和网格划分，后处理模块用于采集处理分析结果，并将计算结果以图形、图表、曲线形式显示或输出。

有限元求解可分为6个步骤[2]：①问题及解域定义：根据实际问题确定求解域；②求解域离散化：将求解域近似为离散域，即为有限元网格划分；③确定状态变量及控制方法：将包含边界条件的微分方程化为等价的泛函形式；④单元推导：选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，形成单元矩阵；⑤总装求解：将单元总装成离散域的总矩阵方程；⑥联立方程组和结果求解：采用直接法、迭代法和随机法求解联立方程组。

耦合螺栓模型建模及柴油机有限元分析

—
２６２９２３６３
一
Ｏ．３Ｏ８
００８５．
Ｏ．２Ｏ２
实验值２
相对误差２
５６６７．
０．３００
１６０３．６０．０９０
２３２３０．
一
２６０７８．
—
Ｏ．８０１
０．２０３
注：表格中的试验数据来自于参考文献［Ｊ８
一 —
处处都相互接触而受力，际上，们之间的受力实它
在一个锥形区域内（图３，角为ａ其实际接见）锥．
触区域为一环状区域，直径为Ｄ．
Ｄ一Ｄ＋２× × ｔｎａａ（）２
式中：Ｄ为被螺栓夹紧零件结合面之间接触区域
式中：为梁单元的初始应变；￡。Ｐ。为螺栓预紧力载荷；ｄ为螺栓的有效直径；Ｅ为被夹紧材料的弹
性模量．
图５和表１所示是耦合螺栓的有限元模型的模态计算结果与文献［］８中的实验结果的模态振型和模态频率的比较结果．
一
ＩＩ
自由度耦合（ＵＸ，ＵＹ，）在ＡＹＳ中，３ＵＺ．ＮＳ有
种方式来进行自由度耦合．
豳
豳
图３螺栓联结接触区域示意图
３耦合螺栓有限元模型的验证
本研究根据文献Ｅ３８中模态实验所用试件的
第２期

一种螺栓连接结构有限元模型的精细建模方法

螺栓连接结构的有限元模型精细建模方法通常包括以下步骤：
1. 建立几何模型：使用CAD软件绘制螺栓连接结构的几何模型，包括螺栓、螺母、垫圈、连接件等各个部分，并确保几何模型的精度和准确性。

2. 网格划分：对几何模型进行网格划分，生成有限元网格。

在螺栓和连接件处需要特别关注，通常需要采用细网格划分以捕捉局部应力集中区域。

3. 材料属性定义：为各个部件定义材料属性，包括弹性模量、泊松比、屈服强度等力学特性参数。

4. 界面约束：定义螺栓与连接件之间的接触和摩擦条件，确保模型在加载时能够准确反映实际工况下的受力情况。

5. 螺栓预紧载荷：根据螺栓预紧力大小和方向，在有限元模型中施加相应的预应力载荷，以模拟螺栓连接结构在预紧状态下的受力情况。

6. 加载和边界条件：根据实际工况确定加载方式和加载位置，并设置相应的边界条件，如固支条件、加载方向和大小等。

7. 分析计算：进行有限元分析计算，获取螺栓连接结构在不同工况下的受力情况，包括应力分布、位移、变形等。

8. 结果评价：对分析结果进行评价和验证，确保模型的合理性和准确性，针对需要进一步优化的地方进行调整和改进。

通过以上建模方法，可以建立一个精细的螺栓连接结构有限元模型，用于分析螺栓连接在不同工况下的受力情况，指导工程设计和优化。

值得注意的是，螺栓连接结构的有限元模型建模过程需要考虑到实际工程中的复杂因素，因此在建模过程中需要充分考虑材料非线性、接触摩擦、大变形等因素，以获得更为真实可靠的分析结果。

螺栓连接的有限元建模及仿真分析

螺栓连接的有限元建模及仿真分析辛鹏;万义强;徐琢【摘要】针对螺栓连接结构的仿真分析,建立了单体螺栓连接有限元模型和螺栓法兰有限元模型.理论计算和仿真分析均表明,在施加拧紧力矩后,装配应力主要产生在实体螺栓的螺头、垫圈和被连接件之间;与此同时,最大应力值也出现在螺母与螺杆连接处.模态分析表明,螺栓预紧力的大小对结构的影响很小.对于螺栓法兰连接结构,由装配引起的应力变化和分布也局限在各螺栓附近,其余部位影响甚小.为了提高仿真计算的效率和准确度,建议采用实体螺栓连接模型.【期刊名称】《车辆与动力技术》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P58-62)【关键词】螺栓;法兰连接;预紧力;模态;装配应力【作者】辛鹏;万义强;徐琢【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京,100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京,100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】U463螺栓连接作为一种可拆卸式的连接方式，广泛存在于各种机械设备中联结间厚度不大的场合.一般而言，对于各种机械式连接件，在工作过程中，应力集中和疲劳多数发生在连接部位，即螺栓附近，这对螺栓的寿命和连接精度有着重大的影响.因此，分析螺栓连接的应力产生有着重要的意义.由于螺栓连接中，连接件和被连接件相互之间的作用力比较复杂，因此，在有限元分析中，需要有针对性的简化.在螺栓连接中，螺栓预紧力和相互间接触是比较重要的两个特点，它们对结构的静态特性和动态特性的影响非常大.对于螺栓连接结构中的接触应力和连接刚度，许多科研工作者通过理论计算和有限元仿真，并加以试验验证，对螺栓连接进行了大量的研究分析［1］，得到了很多有价值的、可以借鉴的结论.在螺栓连接中，螺纹的接触和应力分析是有限元仿真中的难点.孙宇娟［2-3］等通过对螺纹的建模和分析，得到螺纹轴向载荷和应力分布规律，表明螺纹的形状和螺栓效应对螺栓结构的轴向载荷和应力分布的影响不大.这对我们简化螺栓模型提供了理论上的帮助.通过对螺栓连接应力分布的理论计算，基于有限元分析软件ANSYS，对螺栓连接进行精细化建模，并施以局部接触及螺栓预紧力，通过理论计算结果验证模型的准确性和实用性.1 螺栓连接模型强度计算校核螺栓连接的失效形式主要是螺栓杆部的损坏:在轴向变载荷的作用下，螺栓的时效多为螺栓的疲劳断裂，损坏的地方都是截面有剧烈变化因而有应力集中处.就破坏性质而言，约有90%的螺栓属于螺杆疲劳破坏.据统计资料表明，受变载荷的螺栓，如图1，在从螺母支撑面算起第一圈或第二圈螺纹破坏处损坏的约占65%，在光杆与螺纹部分交界处损坏的约占20%，在螺栓头与杆交界处损坏的约占15%.图1 变载荷受拉螺栓损坏统计例子中，建模螺栓为M10普通钢制螺栓，螺栓危险截面的拉伸应力螺栓危险截面的扭转切应力为式中:tanρv≈0.17，d2/d1≈1.05，tanλ =0.05，得对于钢制螺栓，可根据第四强度理论确定许用计算应力从公式来看，对于M10钢制紧螺栓连接，在拧紧时虽然受拉伸和扭转的联合作用，但计算时可按纯拉伸计算紧螺栓的强度，仅将所受的预紧力增大30%即可.对仅承受预紧力的紧连接螺栓，螺栓危险截面的应力值需小于许用应力式中:F为预紧力，N;d1为螺纹小径，mm;［σ］为螺栓材料的许用应力，MPa.2 螺栓连接有限元模型2.1 螺栓连接模型图2是局部简化版的螺栓连接结构，上下薄板通过M10的螺栓连接.显示螺栓连接处的网格划分及局部细节.对该实体连接模型，考虑到了真实的螺栓预紧力和接触［4］.实体螺栓连接模型是螺纹简化版的有限元模型，采用六面体单元建立螺栓、螺母、垫圈和薄板的详细模型.忽略螺栓和螺母的螺纹，在Hypermesh软件中螺母与上垫圈、螺头与下垫圈、上垫圈与上薄板、下垫圈与下薄板之间的接触采用面-面接触模型模拟［5-7］.预紧力的施加，取螺杆中部横截面插入PRETS179预紧力单元.为了便于观察螺栓螺杆内部因预紧力产生的应力分布，将有限元模型沿螺栓轴面切开，保留一半实体网格并对截面进行约束，以分析截面应力和螺杆应力分布情况，如图3所示.图2 实体螺栓连接整体模型图3 实体螺栓截面模型2.2 螺栓法兰连接模型考虑到单个螺栓连接虽然对研究螺栓内部应力分布情况具有较高的精确度和可信度，但是对由于螺栓连接施加拧紧力矩导致被连接件发生的局部变形，和由此产生的装配应力的分布情况并没有直接体现出来.在生产实际中，装配是一个至关重要的环节.而螺栓连接的广泛应用导致这一问题尤为突出.因此，搞清楚不同的装配过程所产生的装配应力的分布是很有必要的.图4所示为实际生产生活中广泛应用到的螺栓法兰连接结构:图4 螺栓法兰连接整体模型在该法兰连接结构中，上法兰和下法兰由6组圆周均布的M8螺栓连接.该实体模型与简化版的螺栓连接模型类似，是采用六面体solid185单元建立的螺栓、螺母、垫圈和法兰的详细模型.螺头与垫圈、垫圈与法兰、上法兰与下法兰的接触也采用面－面接触模型模拟.2.3 改造过的MPC法兰连接螺栓模型通过研究发现，由于螺栓预紧力的夹紧作用，在螺栓连接附近区域存在较大的应力分布，使得各零件紧密的连接在一起.针对这种情况，可以对实体螺栓法兰连接模型进行改造.删除预紧力单元，采用MPC法连接螺栓、螺母、垫圈以及法兰，如图5所示.并在垫圈下施加均布载荷.图5 MPC法兰螺栓连接模型材料参数的选取根据对热处理后的螺栓的最低要求，对于4.6级普通强度螺栓:屈服强度σy=392 MPa，屈强比值为0.6，ξu=10%;对于6.8级普通强度螺栓:屈服强度σy=588 MPa，屈强比值为0.8，ξu=10%。

螺栓连接结构的一种简化数值模拟方法

第７期２１０２年７月
文章编号：０１３９（０２０一１５０１０ — ９７２１）７－６ — ３０
机械设计与制造
ＭａｈｉｒＤｅｉｎｃｎｅｙｓｇ＆Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ１５６
螺栓连接结构的一种简化数值模拟方法
｝栓连接结构，利用５ｔ０结构试验机，研究一种典型螺栓连接结构的非线性静力学行为。实验设计了整体｝对比试验件、研究型试验件，其中整体对比试验件用于分析、量化试验及材料性能的分散性及消除端部｝效应，究型试验件用于研究螺栓连接结构的非线性静力学行为及非线性力一研位移内蕴关系。通过实验
ＹＡＮＧｎＭｉ
（ｎｔｕｅｏｙｔｍｇｎｅｉｇＣＥ，．ＢＩｓｔｔｆｓｅＥｎｉｅｒ，ＡＥＰ０．ＯＸ－０．ａｙｎ２０ＣｉａｉＳｎ９４２Ｍｉｎａｇ６０，ｈｎ）１９，１９
；
【要】摘螺栓连接广泛存在于航空、航天以及武器等工程实际结构中。对剪切式８级６．８螺栓螺
；ｐｉｉｐｉｅｕｅｉｄｌｏｏｎｃｏｌｍｎｆａｔｉａｂｈｄｃｎｅｔｎＦｎｌ，ｅｌｄｔ０ｓｌｄｎｍｒａｍｏｅｆｒｃｎｅｔｎｅｅｅｔｏｐｃｏｅｏｎｃｉ．ｉａｙｔｅｏｍｆｉｃｌｉｓｙｌｏｌｈ
｝ｓａｃ－ａｅｓｐｅｅａｐｉｔｄｅｎｎｌｅｒｙｓｉｅａｉｔｅｂｈｄｏｔｏｎｃｏｓｅｒｈｂｄｔｔｉｐｌｄｔｓｙｔｏ－ｉａｉａｃｂｈｖｏｏｈｏｅｊｉｎｔｎｓｅｃｅｏｕｈｎｔｔｓｔｒｆｎｃｅｉ

铆钉铆接机械的刚柔耦合设计与优化研究

铆钉铆接机械的刚柔耦合设计与优化研究铆钉铆接是一种常见的连接方法，广泛应用于各种机械结构和工艺中。

在铆钉铆接过程中，刚性与柔性的耦合设计相当重要，可以对连接的质量和可靠性产生显著影响。

本文旨在研究铆钉铆接机械的刚柔耦合设计与优化方法。

刚柔耦合设计的目标是在连接过程中优化刚度和柔度的平衡，从而保证连接的质量和可靠性。

在铆钉铆接机械中，刚度与柔度的平衡是关键因素。

合理的刚柔耦合设计可以提高连接的精度和可靠性，减少连接过程中的应力集中以及不均匀变形。

在设计过程中考虑到机械的质量、刚度、材料等因素，并通过优化方法进行参数调整和优化。

首先，刚柔耦合设计需考虑材料与结构的刚度特性。

铆钉铆接机械的刚柔耦合设计需要在材料强度和刚度之间寻求平衡。

通过采用高强度材料和合理的结构设计，可以提高机械的刚度和稳定性。

此外，通过考虑机械部件的几何形状和融合处理等方法，可以进一步优化刚度特性，达到更好的刚柔耦合效果。

在设计过程中，需要进行力学分析和模拟计算，以评估不同结构设计的刚度和应力分布情况。

其次，刚柔耦合设计需要考虑机械的柔性特性。

在铆钉铆接机械中，柔性的设计是确保连接过程中引入的变形能被准确控制和补偿的关键。

柔性设计可以通过采用弹性材料、弹性缓冲器、弹簧等方式实现。

这些柔性元件可以在连接过程中吸收应力和变形，并提供足够的柔度和弹性，从而避免了脱节和失效的可能性。

在柔性设计中，需要考虑到材料的特性、变形的控制和补偿方法等方面。

通过改变柔性元件的几何形状、材料组合和结构设计，可以实现更好的刚柔耦合效果。

最后，刚柔耦合设计需要通过优化方法进行参数调整和优化。

优化方法可以综合考虑到刚度、柔度、材料、结构以及其他约束条件等多种因素，通过建立数学模型和优化算法，实现最优设计。

优化方法可以采用遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。

通过优化方法，可以得到最佳的刚柔耦合设计方案，提高铆钉铆接机械的连接质量和可靠性。

综上所述，铆钉铆接机械的刚柔耦合设计与优化是提高连接质量和可靠性的关键。

基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究共3篇

基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究共3篇基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究1基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究随着各种精密机械设备的发展，螺栓固定在机械组件中扮演着重要的角色。

螺栓固定不仅能够保证机械装置的牢固性和安全性，同时还能够保障机械设备的正常运转。

因此，对于螺栓固定系统的研究一直是机械工程领域中的热点问题。

而本文主要研究基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法。

螺栓在结构中的主要作用是通过扭转力矩来保证结构的牢固性和安全性，因此对于螺栓的建模方法需要考虑到其实际的运动学特性。

本文针对螺纹精度、法兰面边界、堆垛印痕等结合面的特性，将螺栓与接口处装配的零件一起建模，最终获得完整的螺栓固定系统的建模。

在ANSYS中，常见的螺栓建模方法主要有中间线法和螺纹线法。

中间线法的优点在于能够较好地反映螺栓在结构中的运动特性，但其缺点在于建模复杂度较高，时间和计算资源成本也较高。

螺纹线法在模型的建模过程中更加简单，但其对于螺栓的运动特性反映不够准确。

综合考虑建模效率和准确度，本文采用中间线法进行螺栓的建模。

首先，需要将螺栓与接口结构一起加入到ANSYS中进行建模。

接着，我们采用Hex20单元对应接口结构进行网格剖分，并在需要固定的部位将固定边界条件施加在Hex20单元上。

随后，我们将螺栓中心线和螺纹进行建模，并将其划分为多段。

接着，我们在螺栓模型中为边界定义角度变量、梁实体等，使得螺栓能够与固定边界条件对应。

最后采用等距节点网格将整个结构重新网格化，定位螺栓位置并施加约束条件。

建模完毕后，通过ANSYS进行静态和动态分析，获得螺栓结构固定过程中的应力分布、变形情况、高频振动等方面的分析数据。

总之，本文主要研究基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究。

通过中间线法对螺栓和接口结构进行合理的建模方法，能够较好地反映出螺栓在结构中的运动特性和固定效果。

通过基于ANSYS的静态和动态分析，能够进一步得到螺栓固定结构在不同情况下的建模数据，对于机械结构的设计和优化具有重要的指导意义本文研究了基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法，探讨了螺栓运动特性的反映和固定效果的预测。

复合材料螺栓连接结构数值模拟研究

复合材料螺栓连接结构数值模拟研究佘凯;许建;黄国兵;杨宇华【摘要】在实际工程中,复合材料结构连接方式常采用机械连接形式(螺栓或铆钉)来连结复合材料构件和金属构件,而其中尤以螺栓连接更为常见.如何运用有限元软件模拟螺栓连接结构是仿真计算的关键.本文采用ANSYS软件,建立了复合材料螺栓连接结构的三维有限元模型,采用不同的边界处理方法对该结构进行数值模拟,得到复合材料螺栓孔处的载荷,并将数值计算结果与试验数据比较,探求出了该结构螺栓孔处载荷数值模拟方法.采用接触+耦合的边界处理方式不仅能较准确的模拟复合材料螺栓连接结构,而且计算时间远小于完全采用接触时的计算时间,大大提高了工作效率.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2008(003)006【总页数】5页(P41-44,65)【关键词】复合材料;螺栓连接;接触;耦合【作者】佘凯;许建;黄国兵;杨宇华【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064;中国舰船研究设计中心,湖北,武汉,430064【正文语种】中文【中图分类】U664.21 引言复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，其具有重量轻、比强度高、抗疲劳性能强、耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车、造船等各个领域得到日益广泛的应用[1]。

船舶是复合材料应用中的一个重要方面，经多年的开发使用，应用部位已从次承力构件发展到主承力构件，逐步成为一种重要的船用材料。

复合材料与金属构件常采用螺栓连接，由于复合材料挤压强度较低，结构在承受较大载荷时，连接部位螺孔处的复合材料会发生挤压破坏，是该结构的主要破坏模式。

复合材料结构的连接在传递载荷、连接件的形态和边界条件等方面都比较复杂，用解析方法求解是难以胜任的，需要采用数值方法特别是可用有限元法来求解。

复合材料螺栓连接是一个三维问题，国外已经采用多种有限元软件对其进行了数值模拟。

ansys螺栓连接的处理方法

ansys螺栓连接的处理方法在机械设计中，螺栓连接是一种常见的连接方式。

螺栓连接的优点是连接紧固力大，可拆卸性好，适用于各种工况。

在使用螺栓连接时，需要考虑螺栓的强度和连接的可靠性。

本文将介绍如何使用ansys软件进行螺栓连接的处理方法。

一、建立模型需要建立螺栓连接的模型。

在ansys中，可以使用DesignModeler或SpaceClaim进行建模。

建模时需要考虑螺栓的几何形状、材料和连接方式等因素。

在建模时，需要注意螺栓的直径、长度、螺纹等参数的设置。

二、设置材料属性在进行螺栓连接分析前，需要设置螺栓和连接件的材料属性。

在ansys中，可以使用材料库中的材料或自定义材料。

在设置材料属性时，需要考虑材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等参数。

三、设置边界条件在进行螺栓连接分析前，需要设置边界条件。

在ansys中，可以设置螺栓和连接件的约束和载荷。

在设置约束时，需要考虑螺栓和连接件的实际约束情况。

在设置载荷时，需要考虑螺栓和连接件的实际载荷情况。

四、进行螺栓连接分析在设置好模型、材料属性和边界条件后，可以进行螺栓连接分析。

在ansys中，可以使用静力学分析或非线性分析进行螺栓连接分析。

在进行分析时，需要考虑螺栓和连接件的实际工作情况。

五、分析结果处理在进行螺栓连接分析后，需要对分析结果进行处理。

在ansys中，可以使用PostProcessor进行结果处理。

在处理结果时，需要考虑螺栓和连接件的实际工作情况。

可以对应力、应变、位移等参数进行分析。

六、优化设计在进行螺栓连接分析后，可以对模型进行优化设计。

在ansys中，可以使用OptiSLang进行优化设计。

在进行优化设计时，需要考虑螺栓和连接件的实际工作情况。

可以对螺栓的直径、长度、螺纹等参数进行优化设计。

七、总结螺栓连接是一种常见的连接方式，在机械设计中应用广泛。

在使用ansys进行螺栓连接分析时，需要考虑螺栓的几何形状、材料和连接方式等因素。

在进行分析时，需要考虑螺栓和连接件的实际工作情况。

ABAQUS螺栓接触分析

ABAQUS螺栓接触分析螺栓连接是结构连接的一种主要方式，在CAE分析中经常遇到，针对不同的情况，通常我们会采取不同的方法来处理。

如果仿真的重点在于模拟螺栓，要求输出螺栓的应力、变形数据等，则将其创建为三维部件进行精细建模；如果螺栓在仿真过程中是次要的，只起简单的连接和紧固作用，则可以使用MPC约束和梁单元对螺栓进行简化建模。

作为一款功能强大的通用CAE软件，ABAQUS处理普通螺栓连接的方式有三种：带螺纹的实体螺栓、不带螺纹的实体螺栓和MPC与梁单元组合的螺栓简化模型。

1.带螺纹的实体螺栓对于带螺纹的实体螺栓仿真，只需在ABAQUS中定义适当的接触关系，选择合适的摩擦系数即可，通常使用通用接触即可满足计算的要求。

采用这种实体螺栓的仿真计算，虽然得到的结果很精确，但却大大增加了螺栓模型前处理的工作量(螺栓和螺纹均用六面体网格建模)，且计算量大，计算过程中接触收敛困难。

因此，在精度要求不高的情况下，不采用这种实体螺栓模型。

2.不带螺纹的实体螺栓为了简化模型，提高计算的效率，可以创建不带螺纹的实体螺栓模型。

这种情况下，只需在ABAQUS的接触定义中设置跟实际螺纹形状有关联的参数，如牙角、螺距、螺栓小径等，即可以模拟真实的螺栓连接接触状况，得到足够精确的结果，同时节省了分析的时间，提高分析效率。

若对结果的精度要求不高，或螺栓并不是分析的重点，则直接对不带螺纹的实体螺栓进行接触关系设置即可满足计算要求。

3.使用MPC约束和梁单元模拟螺栓一般在螺栓只起连接和紧固作用，且不设置相应输出时使用这种模拟螺栓的方式。

这种方式需要预先在Part功能模块中创建一维(wire)部件，并为其设置相应的梁单元截面属性，之后才能在Interaction功能模块中创建MPC约束，完成螺栓的模拟。

这种模拟方式下，MPC单元只在Interaction功能模块中可见，但是其不影响计算的结果，且在后续的后处理模块中可以打开一维单元显示开关将其显示出来。

螺栓结合面的建模方法及模态分析

螺栓结合面的建模方法及模态分析摘要：根据对结合面的处理方法的不同，采用了有限元分析软件ANSYS建立了不同的螺栓结合面的有限元模型。

在不同的螺栓预紧力情况下，对各个模型的进行了模态分析，得到了固有频率。

通过分析数据结果，总结了不同的结合面建模方式对系统的模态分析的影响。

关键词：螺栓结合面；模态分析；固有频率；预紧力引言机械结构中零件、组件和部件相互接触的表面称为结合面，它在机械结构中大量地存在，使机械结构或系统不再是一个连续的整体。

根据运动方式分类，结合面分可以分为为三类。

第一类固定结合面，如螺纹联接面、铆钉联接面、销联接面和焊接联接面等；第二类是半固定结合面，如摩擦离合器的联接面[1]；第三类是运动结合面，如齿轮和链轮的啮合面、丝杠螺母的联接面、轴承联接面和导轨联接面等。

本文研究的螺栓结合面是属于固定结合面，主要起联接固定的作用。

在机械结构中，螺栓结合面是应用广泛的一种连接方式，影响着整个系统的静态特性和动态特性，因此螺栓结合面的分析研究具有十分重要的意义。

随着电子计算机的迅速发展，有限元分析法的应用越来越普遍。

它是一种有效的数值分析方法，首先应用于连续体力学领域，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题[2]。

ANSYS是有限元分析领域的大型通用软件之一，提供了用来模拟各种结构和材料的单元类型、多种有限元分析功能模块。

它不但能用于对结构、热、磁场、流体等单独研究，还能用于热-结构耦合和、流体-结构耦合等。

本文主要用ANSYS对螺栓结合面结构进行动力学分析的模态分析，应用计算结构的固有频率。

1.模态分析的原理动力学分析类型包括瞬态动力学、谐响应分析、模态分析和谱分析。

其中，模态分析是其它动力学分析的基础，用于确定结构的固有频率和振型，能使设计的结构避免共振。

模态分析的求解是针对下面的运动方程：上式的矩阵特征值即为系统的固有频率，系统的模态分析就是求解矩阵特征值和特征向量的问题。

螺栓连接有限元分析

1概括螺栓是机载设施设计中常用的联接件之一。

其拥有构造简单 , 拆装方便 , 调整简单等长处 , 被宽泛应用于航空、航天、汽车以及各样工程构造之中。

在航空机载环境下，因为振动冲击的影响，设施常常产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。

螺栓能否知足强度要求，关系到机载设施的稳固性和安全性。

传统力学的分析方法对螺栓进行强度校核，主假如运使劲的分解和平移原理，解力学均衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。

没有考虑到连结零件整体性、力的传达门路、零件的局部细节 ( 如应力集中、应力散布 ) 等等。

经过有限元法，整体建模，局部细化，能够填补传统力学分析的缺点。

用有限元剖析软件供给的特别单元来模拟螺栓连结，过程更方便，计算更精准，结果更靠谱。

所以，有限元在螺栓强度校核中的应用愈来愈宽泛。

2有限元模型的成立关于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点拘束单元法和梁元法等。

多点拘束单元法 (MPC)即采纳特别单元 RBE2来模拟螺栓连结。

在螺栓连结处，设置此中一节点为从节点 (Dependent) ，此外一个节点为主节点 (Independent) 。

主从节点之间位移拘束关系使得从节点跟从主节点位移变化。

比率因子选为1, 使从节点和主节点位移变化协调一致，进而模拟实质工作状态下，螺栓对法兰的连结紧固作用。

梁元法模拟即采纳两节点梁单元 Beam，其能蒙受拉伸、剪切、扭转。

经过参数设置，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。

几何模型如图 1 所示组合装置体，底部拘束。

两圆筒连结法兰经过 8 颗螺栓固定。

端面受结合载荷作用。

图 1 三维几何模型单元及网格抽取圆筒壁中性面建模，采纳四节点壳元 (shell)，设置壳元厚度等于实质壁厚。

法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其余能够相对稀少。

在法兰上下两节点之间成立多点拘束单元(RBE2，算例1, 图3) 或梁元 (Beam,算例 2, 图 4) 来模拟该地点处的螺栓连结。

Ansys螺栓联接的接触分析

第一篇 ANSYS结构分析第1章接触分析1.1 螺栓和法兰联接的接触分析在各种机械结构中，螺栓联接是一种简单而普遍的联接形式。

螺栓联接的研究历史悠久，一个世纪以来，各种科研机构均对其进行过深入细致的研究，多采用两种常用的方法，理论解析法和有限单元法。

由于理论解析法要对结构进行简化，忽略了结构中许多非线性因素影响，如：螺栓联接结构的螺栓预紧作用和被联接法兰面之间的接触等非线性行为均不能模拟，分析的结果误差较大。

ANSYS有限元分析软件具有很强的非线性接触行为模拟能力，同时还能利用新开发的Pretention179单元模拟螺栓的预紧作用。

下面结合一个实际例子模拟说明螺栓和法兰之间的联接。

水轮发电机主轴联轴螺栓是水轮发电机重要联接部件，连接着水轮发电机主轴和转子支架。

在保证机组的正常稳定运行中起着极其重要的作用。

如果联轴螺栓联接不可靠，被联接法兰间存在间隙，必将会导致机组振动过大，影响机组的正常稳定运行。

情况严重时将导致联轴螺栓断裂，主轴脱落，产生不可挽回的损失。

下面的例子重点分析了主轴联轴螺栓强度和被联接圆盘的接触状态，利用ANSYS的APDL（ANSYS Parametric Design Language）脚本编程语言，编制程序进行参数化优化设计，这样就可以快捷地分析各种拓扑结构相似的螺栓结构。

该方法具有相当的通用性，适用于模拟多种螺栓联接结构。

图1-1 主轴联轴螺栓结构有限元剖分示意图图1-2 主轴联轴螺栓结构边界条件针对上面结构的模型，采用了参数化编程语言编制了APDL程序，建立了螺母和圆盘，螺母和主轴，圆盘和主轴之间的接触对，详细讲述了接触对的建立方法。

同时还详述了螺栓预紧单元（Pretention179）的建立方法和预紧单元的加载方法以及求解中需要注意的事项。

下面结合APSL程序说明模拟过程，重要步骤给出GUI操作方式。

ANSYS软件版本选用ANSYS6.1。

!**********************************************************! 设置结构基本参数（参数可以按不同结构改变）! 参数单位为力：N，长度：mm，弹性模量：N/mm2，密度：tons/mm3!***********************************************************SET,RAD_I,1250/2 !主轴内半径*SET,RAD_PANI,705 !圆盘内半径*SET,RAD_O,2450/2 !主轴外半径*SET,RAD_PANO,1830 !圆盘外半径*SET,RAD_B,180/2 !螺栓孔径*SET,M_BOLT,160 !螺栓最小直径*SET,M_BH1,350+170+50 !螺栓在主轴方向长度*SET,M_BH2,350+170+250 !螺栓在圆盘方向长度*SET,M_NUT,280/2 !螺母大半径,六面体对角线长度*SET,H_NUT,170 !螺母高*SET,RAD_DRILL,2140/2 !螺栓节圆半径*SET,RAD_M,750+150 !主轴内止口半径*SET,H_M,18 !主轴内止口高度*SET,RAD_BI,1950/2 !螺栓孔划平处内径*SET,RAD_BO,2330/2 !螺栓孔划平处外径*SET,RAD_BH,5 !螺栓孔划平处高度*SET,F_RAD,45 !主轴与划平处过渡圆角半径*SET,FH_RAD,1855/2 !螺栓孔划平处内半径*SET,R_FILLT,125 !主轴过渡圆角*SET,N,15 !螺栓分度数*SET,KEY_W,290 !切向定位键宽*SET,KEY_H,130 !切向定位键高*SET,TH,200 !主轴轴壁最薄处厚度*SET,FLANG_H1,350 !主轴法兰高度*SET,FLANG_H2,350 !圆盘高度*SET,H_SHAFT,350+490 !主轴上倾斜部分高度*SET,H_SH,H_SHAFT+500 !主轴总高度*SET,PI,ACOS(-1) !PI值*SET,ELEMSIZE,60 !拉伸单元大小（可根据结构尺寸调节）/GRAPHICS,POWER !Activate PowerGraphics!****************************************! 加载参数!*****************************************SET,DISP_B,0.75 !螺栓预紧的伸长量*SET,ZMAX,H_SH !轴向方向最高处,加轴向力位置*SET,F_EXT,22.9215E+5*12 !总的轴向力*SET,F_EEF,30.827E+5*12 !半数磁极短路时在BOLT中引起的拉力*SET,R_OUT,RAD_PANO !圆盘外半径*SET,T_W,375 !圆盘被约束宽度*SET,U_R,R_OUT-T_W !圆盘被约束处内半径!****************************************! 准备建立模型!****************************************/PREP7 !进入ANSYS前处理器ET,1,185 !定义实体单元类型为三维8节点Solid185块体单元 GUI操作路径：ANSYS M ain Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add → select Solid Brick 8node 185 →OK →Close (the Element Type window) MP,EX,1,2.06E5 MP,NUXY,1,0.29MP,DENS,1,7.85E-9 !定义主轴材料为材料1GUI操作路径：ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models → Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX:2.06e5, PRXY:0.29 → OKANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models → Structural →Linear →Density →input DENS:7.85e-9 → OKMP,EX,2,2.06E5MP,NUXY,2,0.29MP,DENS,2,7.85E-9 !定义圆盘材料为材料2GUI操作路径：同上。