自攻螺钉连接抗剪承载力的有限元建模方法
钢结构螺栓连接的有限元数值模拟
钢结构强 度高、 质量轻 、 塑性 和韧性好 、 抗 震性 能
ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ， ｉ ｔ ｉ ｓ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍ ｅ ｈ ｔ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｅ
王
智： 钢结 构螺栓连接的有限元数值模拟
６ １
钢 结构 螺栓 连 接 的有 限元 数值 模 拟
王 智
３ ０ ０ ０ ７ ２） （ 天津大 学建筑工程学院 。 天津
【 摘 要】 螺栓连接是钢结构连接的主要方式之一， 具有施工简单、 拆装方便等优点。现行钢结构规范中对
螺栓连接的计算都是在一定的假设条件下 进行 的。本 文 以钢 结构规 范 中的计算 公式为基 础 ， 运 用有 限元 数值 分 析的方法 ， 采用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ来分析普通螺栓群在受 剪和受拉条件 下的各个 螺栓 的受力情况 。将 有限元软 件模拟 的 结果与公式计算结果进行 比较 ， 证明规范公式 的正确性 。文 中分别 模拟分 析 了普 通螺栓群在 受剪 的情 况下 承受 轴心力 、 扭矩 ， 和普通螺栓群在受拉 的情况下承受拉力 、 弯矩 的受力情况 。
Ｗ ＡＮＧ Ｚｈｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能的有限元模拟
・
５ ・ ０
２０ １０年 ８月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲ ＣＨ Ｉ ＴＥ（ ｒ ＵＲＥ
Ｖ０． ６Ｎｏ ２ １３ ． ４
Ａｕ ． ２ １ ｇ ０ ０
・
结 构 ・ 震 ・ 抗
文章 编 号 ：０ ９６ ２ （０ ０ ２ 石膏板竖 向接缝、 Ｓ Ｏ Ｂ板水平 和竖 向接缝 的模拟 以及 １ ｍ， ２ｍ 厚度 Ｉ０ｍｍ）长度为 ２９ ８Ｉｒ， ． ， ９ Ｌ 顶梁和底梁规格分别为 Ｔｎ 自攻 螺 钉 连 接如 何 模 拟 才 能 更 加 接 近 实 际 受 力 情 况 。本 文 通 过 Ｕ ２ ０×１ ０（ ９ ×４ ． 即腹 板 高 度 ９ ｉ， 缘 宽 度 ４ ｎ 厚 度 ２ ｍＴ 翼 ｔ ０ ｍｒ，
市和海滨旅游城市。
［ ］ 湖北省统计局 ． 北统计年鉴 （０ ９ ［ ． ６ 湖 ２０ ） Ｍ］ 北京： 中国统计
５ 结语
区域中心城市即青 岛市和济南市。其 中济南市是 山东省 的政治 、 城市问题 ，０ ７ １ ：１３ ． ２ ０ （ ）３ —５ 文化 、 教育中心 ， 山东 中西部 以及省际 区域的交通枢纽 和经济 中 ［ ｊ 俞 斌 ． ４ 区域 竞争优 势 与特 色产 业发展 的 空 间组织创 新 心， 逐渐形成以现代 服务业为 主导 、 高新 技术产业发 达的综合性 中下游地区的龙头城市 ， 现代制造业和现代服务业发达 的港 口城 ［］华 中师范大学学报 （ Ｊ． 自然科 学版）２ ０ （ ）２ ７２０ ，０ ７ ６ ：８ —９ ． （００２０ ）Ｍ］北京 ： ２ ０ —０ ９ ［ ． 中国统计 出版社 ，０ ８ ２０ ． 省会城市 。青 岛市作为我 国重要 的港 口城市 已成为 山东和黄河 ［］ 国 家统计局 城 市社会 经 济调 查总 队． 国城 市统 计年 鉴 ５ 中
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。
高强度螺栓与焊缝并用接头抗剪承载力的有限元分析
高强度螺栓与焊缝并用接头抗剪承载力 的有限元分析
张东旭侯兆新孙磊
（中冶建筑研究总院有限公司，北京
１０００８８）
摘要：通过对不同焊脚尺寸的侧面角焊缝与不同直径高强度螺栓之间并用连接的有限元模型研究，并考虑到不 同螺栓数目或布置方式时并用连接承栽力的影响，确定了高强度螺栓和侧面角焊缝之间合理的构造匹配方式。通 过分析，绘出各连接情况下并用连接节点的荷载一变形曲线，研究探索高强度螺栓和焊缝的协同工作能力，以及影 响栓焊并用连接承栽力的因素。确定高强度螺栓和侧面角焊缝分别对并用连接节点承栽力的贡献，给出承栽力的 计算公式，提出设计建议。
ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｇｉｖｅｎ
ｔＯ
ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ
ｃａｎ
ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ａ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ
ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｄｖｉｃｅ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ；ｆｉｌｌｅｔ ｗｅｌｄ；ｊｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｏｌｔｓ ａｎｄ ｗｅｌｄｓ；ｓｈｅａｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ
震藤燃
■■■
ａ一侧面角焊缝连接；ｂ一高强度螵栓连接；ｃ一栓焊并用连接
图２节点有限元计算模型
１．２材料模型 模型选用的材料为理想弹塑性模型，其弹性模
量为Ｅ一２．０６×１０５ ＭＰａ，泊松比ｖ＝０．３。对于材
连接的承载力。５组研究对象不同匹配连接节点构 件的几何尺寸如图３所示，其中芯板和盖板之间摩 擦面抗滑移系数取０．４０。
表５
并用效率
Ｄ１ Ｄ２ Ｄ３
以上因素造成了表４中部分栓焊并用连接节点 的承载力大于高强度螺栓连接与侧面角焊缝连接承 载力之和。通过对Ｄ２一Ｄｌｌ各种连接情况下的 荷载一变形曲线研究可知，侧面角焊缝在达到承载力 极限时，节点的变形量大于高强度螺栓发生滑移破坏 时的变形，故可以认为螺栓先于侧面角焊缝发生破 坏，即高强度螺栓在栓焊并用连接中的并用效率达到 １．０。Ｄ１一Ｄ１１栓焊并用连接效率统计见表５。
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。
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。
自攻螺钉连接抗剪承载力有限元
自攻螺钉连接抗剪承载力有限元建模方法的研究王小平1, 房玉松1(1武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430070)摘要：随着轻钢龙骨体系及彩钢板的广泛使用，自攻螺钉连接受力性能也越来越被人们重视。
目前国内有关自攻螺钉连接受力性能的研究主要集中在试验和有限元分析两方面，其中有限元的建模方法各有不同。
本文采用ANSYS有限元软件建立了自攻螺钉抗剪连接的七种简化计算模型，对各种简化模型所得连接的极限承载力、破坏形式及建模特点进行了比较，得到了自攻螺钉连接合适的有限元建模方法，为自攻螺钉抗剪承载力的理论研究提供有益的参考。
关键词：自攻螺钉连接；抗剪承载力；有限元；建模方法；研究Research On Finite Element Modeling Method of Anti-shearCapacity of Self-drilling Screw ConnectionWang Xiaoping1，Fang Yusong1(1 School of Civil and Architecture Engineering of Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)Abstract:With the development of light-gauged steel system and color steel plate, the mechanical performance of self-drilling screw connection is increasingly concerned. At present, research on the self-drilling screw connection focuses on experiment and finite element analysis in China. But the modeling method of finite element analysis is different. In this paper, seven simplified analysis models are built with finite element analysis software ANSYS. The ultimate bearing capacity, failure mode and modeling feature are presented and compared for the different simplified models. The suitable finite element modeling method is provided. The research result is beneficial to the theory research of the anti-shear capacity of the self-drilling screw connection.Keywords: Self-drilling screws connection；Anti-Shear capacity；Finite element method；Modeling method；Research1前言近年来，随着轻钢龙骨体系的发展及彩钢板的广泛使用，自攻螺钉以其施工方便、连接刚度好、承载力高及对施工人员要求低等特点而成为冷弯薄壁结构的主要连接形式。
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%。
简易外固定架自攻螺钉的三维有限元模型的初步建立及应用
（Ｊ ． Ｇ ｒ ａ ｄ ｕ ａ ｔ ｅ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ Ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ； ２ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆｓ ｐ ｉ ｎ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｔ ２ ， Ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｐ ａ ｅ ｄ ｉ ｃ Ｈｏ ｓ ｐ ｉ ｔ ａ ｌ ， Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ｌ ａ Ｈｏ ｓ ｐ ｉ ｔ ｌ ａ ｆ ｏ ； ３ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｆＢ ｏ ｉ ｏ ｅｄ ｍ ｉ ｃ ｌ ａ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ｎ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｆ Ｍｅ ｏ ｄ ｉ ｃ ｉ ｎ ｅ ，
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简易外 固定架 自攻螺 钉的三 维有 限元模 型 的初步建 立及应用
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（ １ ． 南方 医科大学研究生 院， 广州
轶 ， 尹庆水 ， 袁衡新 ， ， 王智运 ｚ
５ １ ０ ５ １ ５ ； ２ ． 广州 军区广州 总医院骨科 医院脊柱二科 ， 广州 ５ １ ０ ０ １ ０ ；
ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｓ ｅ ｌ ｆ － ｔ ａ ｐ ｐ ｉ ｎ ｇ ｓ ｃ ｒ ｅ ｗ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａｌ ｆ ｉ ｘ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｚ ＨＥ ＮＧ Ｙ ｉ Ｉ ， ＹＩ Ｎ Ｑ ｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ｕ ｉ ２ ， Ｙ Ｕ Ａ ＮＨ ｅ ｎ ｇ ｘ ｉ ｎ ３ ， ＷＡＮ Ｇ Ｚ ｈ ｉ ｙ ｕ ｎ ２
【 关键词 】 螺钉 ； 外固定 ； 有 限元法 ； 生 物力学
冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接剪切-滑移本构关系研究
I研究与探索韩威，等:冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接剪切■滑移本构关系研究冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接剪切-滑移本构关系研究韩威】，朱华2,周安1（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2.安徽寰宇建筑设计院，安徽合肥230051）摘要:为研究冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接件在单轴受拉作用下的剪切-滑移本构关系，本文通过对不同螺钉直径和不同板厚的单颗自攻螺钉连接件进行抗剪性能试验，得到其剪切-滑移曲线。
而后通过分析剪切-滑移曲线的变化趋势，提出自攻螺钉连接剪切-滑移分段式本构模型，并采用非线性曲线拟合方法拟合出自攻螺钉连接剪切-滑移分段式本构方程。
最后采用ABAQUS 有限元软件中的非线性弹簧单元模拟自攻螺钉连接,建立冷弯薄壁型钢单颗自攻螺钉连接件抗剪性能试验的有限元模型,验证了自攻螺钉连接剪切-滑移本构模型应用于有限元模拟分析的有效性和非线性弹簧单元法模拟自攻螺钉连接的可行性。
关键词：自攻螺钉连接;剪切-滑移;抗剪承载力;本构模型;非线性弹簧单元中图分类号:TU392.5文献标志码：A文章编号：1673-5781（2020）06-1024-040引言随着轻钢结构建筑体系的快速发展和冷弯薄壁型钢的广泛使用，自攻螺钉连接抗剪性能％*3&也越来越被人们所重视，国内外大量试验结果表明,冷弯薄壁型钢之间自攻螺钉连接的抗剪性能对冷弯薄壁型钢结构的承载能力有着重要影响，同时准确模拟自攻螺钉连接也是冷弯薄壁型钢结构有限元数值模拟分析的关键。
自攻螺钉连接的有限元模拟方法各有不同，目前主要有四种方法被用于冷弯薄壁型钢之间自攻螺钉的模拟%&：耦合节点自由度法、笛卡尔型连接单元法、接触关系法和非线性弹簧单元法。
本次研究方法为非线性弹簧单元法56&:在冷弯薄壁型钢连接节点处分别沿着X、Y、Z轴方向定义一个非线性弹簧单元，在剪切方向，非线性弹簧的刚度按照相应试件抗剪试验数据在ABAQUS的INP文件中定义。
自攻螺钉抗剪强度设计值
自攻螺钉抗剪强度设计值
自攻螺钉的抗剪强度设计值通常根据钢材的强度和螺钉的几何特性进行计算。
常用的计算公式如下：
Fv = 0.9 * A * fu
其中，Fv是自攻螺钉的抗剪强度设计值，A是自攻螺钉的有效截面积，fu是螺钉所用材料的抗拉强度。
这个公式的推导是基于螺钉受到的剪切力通过螺纹转化为了抗弯强度，进而可以通过螺钉有效截面积和材料强度进行计算。
需要注意的是，这个计算公式是根据理论推导得出的，并且假设了一些理想情况，实际应用时还需要考虑到螺钉与连接材料的配合性、钢材的厚度、预紧力等其他因素。
因此，在实际应用中，应该参考相关标准和规范进行设计验证。
自攻螺钉连接抗剪承载力有限元
自攻螺钉连接抗剪承载力有限元建模方法的研究王小平1, 房玉松1(1武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430070)摘要：随着轻钢龙骨体系及彩钢板的广泛使用，自攻螺钉连接受力性能也越来越被人们重视。
目前国内有关自攻螺钉连接受力性能的研究主要集中在试验和有限元分析两方面，其中有限元的建模方法各有不同。
本文采用ANSYS有限元软件建立了自攻螺钉抗剪连接的七种简化计算模型，对各种简化模型所得连接的极限承载力、破坏形式及建模特点进行了比较，得到了自攻螺钉连接合适的有限元建模方法，为自攻螺钉抗剪承载力的理论研究提供有益的参考。
关键词：自攻螺钉连接；抗剪承载力；有限元；建模方法；研究Research On Finite Element Modeling Method of Anti-shearCapacity of Self-drilling Screw ConnectionWang Xiaoping1，Fang Yusong1(1 School of Civil and Architecture Engineering of Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)Abstract:With the development of light-gauged steel system and color steel plate, the mechanical performance of self-drilling screw connection is increasingly concerned. At present, research on the self-drilling screw connection focuses on experiment and finite element analysis in China. But the modeling method of finite element analysis is different. In this paper, seven simplified analysis models are built with finite element analysis software ANSYS. The ultimate bearing capacity, failure mode and modeling feature are presented and compared for the different simplified models. The suitable finite element modeling method is provided. The research result is beneficial to the theory research of the anti-shear capacity of the self-drilling screw connection.Keywords: Self-drilling screws connection；Anti-Shear capacity；Finite element method；Modeling method；Research1前言近年来，随着轻钢龙骨体系的发展及彩钢板的广泛使用，自攻螺钉以其施工方便、连接刚度好、承载力高及对施工人员要求低等特点而成为冷弯薄壁结构的主要连接形式。
自攻螺钉抗剪连接性能试验方法综述
自攻螺钉抗剪连接性能试验方法综述帅逸群;李进;洪驰【摘要】随着壁厚小于2mm的高强冷弯超薄壁型钢构件已在国内开始应用,冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接的受力性能的研究逐渐受到关注.但不同的测试方法对自攻螺钉的连接受力性能有所影响.故文中对近年来自攻螺钉连接节点的试验研究方法进行分析和总结,指出了各种试验方法的优缺点,并针对冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接不同试验方法提出建议.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)004【总页数】3页(P45-47)【关键词】冷弯薄壁型钢;螺钉连接;抗剪【作者】帅逸群;李进;洪驰【作者单位】同济大学土木工程学院,上海200092;同济大学土木工程学院,上海200092;同济大学土木工程学院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU391随着轻型钢结构的迅猛发展，冷弯型钢构件开始出现向高强、超薄发展。
自攻螺钉是2mm以下冷弯型钢结构住宅中板件与钢骨架，以及钢骨架之间的主要连接件。
国内外大量试验研究表明，冷弯型钢墙体或屋面板破坏主要发生在连接处；自攻螺钉连接的性能直接影响墙体或屋面板的受力性能及承载力大小。
因此，对自攻螺钉连接的受力性能的研究具有重要的理论意义和实用价值。
自攻螺钉抗剪破坏是自攻螺钉连接的最主要破坏模式，也是国内外学者研究最多的破坏模式。
Julie Mills[1]、Yan S[2]、Serrette R[3]、周绪红[4]、刘楠[5]、卢林枫[6]、潘景龙[7]、张雪丽[8]、杨亚龙[9]等都对自攻螺钉连接的抗剪性能进行了试验研究。
根据试验的受力模式，自攻螺钉抗剪连接试验主要分为单调和滞回两种形式。
1.1 平板连接抗剪试验方法根据JGJ227-2011《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》[10]中自攻螺钉钉杆抗剪强度设计值的确定可采用图1所示试验方法，试验中应注意以下几点。
为确保试验中装置施加的荷载通过搭接节点的中心，试验夹头处应设置垫块。
自攻螺钉拉剪耦合作用数值分析
剪性能研究 ［５］ ，得出了自攻螺钉在波峰连接时其抗
自攻螺钉抗拉性能试验研究，对比了各国技术标准
中关于自攻螺钉抗拉承载力的计算式 ［６］ 。 陶晓燕
进行了剪力钉受剪疲劳试验研究，得出配筋率、剪力
钉排数均影响试件疲劳寿命 ［７］ 。 目前对于自攻螺
钉拉剪共同作用下的承载力研究国内尚未有相关的
现为拉剪共同作用。 例如处于多风地区的厂房，在
ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ．
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｓｅｌｆ ｔａｐｐｉｎｇ ｓｃｒｅｗｓ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｔｅｎｓｉｏｎ⁃ｓｈｅａｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ
自攻螺钉广泛应用于轻钢结构围护体系中，既
能的试验研究 ［３ － ４］ 以及自攻螺钉在波峰处连接的抗
实上在压型钢板与檩条连接面上，不只存在剪力，还
图 ２ 螺钉孔周边单元划分（ 俯视）
过大变形导致的。
４ ２ 自攻螺钉拉剪组合连接模型计算结果
２ 非线性设置
４ ２ １ 模型变形情况
２ １ 材料非线性
模型中的压型钢板和檩条钢材的本构模型均选
在进行 拉 剪 连 接 模 型 分 析 中， 选 用 直 径 ｄ ＝
４ ｍｍ 的螺栓，这 ３ 种连接模型的破坏均是薄板孔
０ ２
３ ５９５
０ ６８
４ ０１５
５ １０５
７１９
１ ９１５
０ ８
Ｎ ｃｕ ／ Ｎ ｕ
５ ６３０
２ ２５２
３ ２０５
１ ８０２
０ ８４
Ｎｕ ／ Ｎ
１ １２６
０ ９２
２ ５５０
１ ３０６
０ ９６
２ ０４２
３ ３７８
３ ０６３
２ １５７
螺栓联接的有限元建模方法研究
螺栓联接的有限元建模方法研究龙荣利;高大威;郑松林;郑腾飞【摘要】螺栓联接的动力特性直接影响工程结构在振动环境下的动态响应.针对螺栓联接有限元模型建模难易程度和计算精度高低等问题,对其建立有限元模型进行模态分析对比研究,选出最优的建模方法.计算结果显示,三维轴对称模型与三维螺旋模型的前6阶固有频率相差甚微,而其他建模方法从第3阶开始便有了较为显著的差别.综合考虑经济性和计算精度等因素,在螺栓联接的有限元分析计算中采用三维轴对称模型最为合适.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2019(057)005【总页数】5页(P20-24)【关键词】螺栓联接;有限元法;预紧力施加;模态分析【作者】龙荣利;高大威;郑松林;郑腾飞【作者单位】2000093上海市上海理工大学机械工程学院;2000093上海市上海理工大学机械工程学院;200093上海市上海理工大学机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室;2000093上海市上海理工大学机械工程学院;200093上海市上海理工大学机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室;2000093上海市上海理工大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH131.30 引言螺栓联接具有较强的通用性、可靠性和互换性，且结构简单、装拆方便、成本较低，因而被广泛应用于工程结构中。
螺栓联接关系着整个结构的安全性和可靠性，其连接性能分析方法有解析法和有限元法。
解析法[1-3]在计算过程中对连接结构做了大量简化且计算过程复杂，计算结果精度较低，因而应用不多。
目前螺栓联接模型主要有一体化模型、刚性单元模型、梁单元模型、圆柱模型、三维轴对称模型和三维螺旋模型等。
一体化模型螺栓本身采用捆绑式接触将连接件连接在一起；刚性单元模型利用刚性单元代替螺栓将连接件连接在一起，忽略了螺栓的预紧载荷及变性影响；梁单元模型未考虑螺栓与被连接件之间的接触问题，规模比较小；圆柱模型利用捆绑式接触模拟螺栓螺母的螺纹接触，未考虑螺纹细节；三维轴对称模型很好地模拟了螺栓连接，也考虑了螺牙的影响只是忽略了螺纹升角的细节；三维螺旋模型精确，但建模困难、规模较大，计算成本较高。
Q460高强钢螺栓抗剪连接承载性能有限元分析
Q460高强钢螺栓抗剪连接承载性能有限元分析郭宏超;皇垚华;李炎隆;刘云贺;简政【摘要】为了更好地发挥高强度钢材的承载性能,保证高强度钢材连接节点的性能和质量至关重要,本文对螺栓预拉力、连接板表面状态、钢材等级及连接板厚度等因素进行了参数分析,并与GB50017、ANSI、EC 3规范理论计算值进行了对比,讨论了不同规范的适用性.结果表明:螺栓预拉力对连接抗剪强度和变形没有影响;抗滑移系数从0.35增加到0.50,连接的变形值减小15.5％,承载力几乎没有提高;钢材屈服强度从345 MPa增加到690 MPa,承载力提高了1.58倍,而变形能力明显降低,延性变差;增加钢板厚度能显著提高连接承载能力,连接的破坏模式由钢板横向撕裂破坏发展为栓杆剪切破坏.%The performance and quality of high strength steel connection node are essential for the better application of the bearing capacity of high strength steel.In order to make a discussion of the application of different standards,the parameter analysis is made to bolt pretension force,the surface state of connecting plate,steel grade and thickness of connecting plate,compared with theoretical calculating value of standard GB500017,ANSI,EC3.The result shows that the bolt pretension force has no effect on shear strength and deformation;if the anti-slip factor increases from 0.35 to 0.50,the deformation value will decrease by15.5％,and the bearing capacity almost has no improvement.If the steel yield strength increases from 345 MPa to 690 MPa,the bearing capacity increases by 1.58 times,but the deformation capacity obviously decreases and the ductility weakens;the connection bearing capacity can beobviously improved by the increase of steel thickness,with the failure in connection caused by crosswise tear of steel plate caused by bolt shear.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)002【总页数】7页(P180-186)【关键词】高强度钢材;螺栓预拉力;摩擦系数;抗剪性能;折减系数【作者】郭宏超;皇垚华;李炎隆;刘云贺;简政【作者单位】西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048;西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048;陕西省建筑科学研究院,陕西西安710082;西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048;西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048;西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TU392与普通强度钢材相比,高强度钢材具有材质均匀、刚度大、塑性和韧性好、可靠性高等优点。
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本文采用７种不同方法 分析结果是否合理 的 关 键 ． 并把分 建立了螺钉受 剪 时 的 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 有 限 元 模 型，
７］ 析数据与规范 ［ 螺钉抗剪承载力计算结果进行了比
：Ｗ ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｌ ｉ ｈ ｔ ａ ｕ ｅ ｏ ｉ ｓ ｔ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｌ ｏ ｒ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｒ －ｇ － ｐ ｇ ｇ ｊ ｙ ｐ ｐ ， ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｓ ｅ ｌ ｆ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｓ ｃ ｒ ｅ ｗ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｌ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｒ ｎ ｅ ｄ ． Ａ ｔ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｌ ｆ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ － － － ｐ ｇ ｇ ｙ ； ｉ ｎ ｓ ｃ ｒ ｅ ｗ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｓ ｏ ｎ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｇ ｐ ｙ ｇ ， ｏ ｆ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｅ ｖ ｅ ｎ ｓ ｉ ｍ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ａ ｒ ｅ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ａ ｅ ｒｓ ｙ ｐ ｙ ｐ ｐ ， ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ．Ｔ ｈ ｅ ｕ ｌ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｅ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｙ ｇ ｐ ｙ ｇ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｉ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｐ ｐ ｐ ｇ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｓ ｂ ｅ ｎ ｅ ｆ ｉ ｃ ｉ ａ ｌ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｔ ｉ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｆ ｓ ｅ ｌ ｆ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ － － － ｐ ｐ ｙ ｉ ｎ ｓ ｃ ｒ ｅ ｗ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ． ｇ ： ； ； ；ｍ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｓ ｅ ｌ ｆ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｓ ｃ ｒ ｅ ｗ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｔ ｉ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ － － ｇ ｐ ｙ ｇ ｙ 随着轻 钢 龙 骨 体 系 的 发 展 及 彩 钢 板 的 近年来 ， 广泛使用 ， 自攻螺 钉 以 其 施 工 方 便 、 连 接 刚 度 好、 承 载力高及对施工人员要求低等特点而成为冷弯薄壁 型钢结构的主要连接形式 ． 自攻螺钉由钻 头、 丝锥及丝扣等三部分构成． 其中， 钻头主要用于在连接件上钻孔； 丝锥用于在 孔上加工螺纹； 丝扣的主要作用是将螺钉拧入， 不 用螺帽就 能 将 被 连 接 板 彼 此 拧 紧， 从而起到连接 的作用． 用于 自 攻 螺 钉 连 接 的 连 接 钢 板 都 比 较 薄 ， 有的 达到 １． 在沿螺钉轴向力的作用下连接 ０ｍｍ 以 下 ， 件与螺钉之间在很 小 的 拉 力 作 用 下 就 会 被 破 坏 ， 因 目前国内外对于自攻 此主要考虑螺钉的 抗 剪 作 用 ．
７ ６
武汉大学学报 （ 工学版 ）
第４ ５卷
１ 有限元建模方法
１． １ 研究对象 在实际工程中 ， 连接的形式多种多样 ， 本文选用 一种典型的单剪拉伸试件研究自攻螺钉的抗剪承载 力． 加载前 ， 不考虑 螺 钉 帽 与 钢 板 之 间 、 钢板与钢板 之间及螺钉丝扣与 钢 板 之 间 的 摩 擦 力 ， 试件的力学 图 １ 中， 试 件 左 端 设 为 固 定 端， 即 计算简图 如 图 １． 约束节点的所有自 由 度 ， 而右端沿拉力方向采用滑 其余方向的自由度均约 动支座的方式来施 加 荷 载 ， 束． 连接板的厚度均采 用 ２ ｍｍ， 材质为 Ｑ 螺钉 ２ ３ ５； 采用 Ｓ Ｔ ５． ５ 自钻自攻螺钉 ．
第４ ５卷 第１期 ２ ０ １ ２年２月
工学版 ） 武汉大学学报 （ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｇ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ５Ｎ ｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ２
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ １ ８ ８ ４ ４ ２ ０ １ ２ ０ １ ０ ０ ７ ５ ０ ５ － － －
［ ８］ 规范 》 中 的 规 定， 由Ｓ Ｔ ５． ５ 自 攻 螺 钉 和 ２． ０ ｍｍ
１． ２ 材料 自攻螺钉的材料多为合金钢 ， 材质较硬 ， 应力应 变曲线基本没有明 显 的 流 幅 ， 应力一旦达到极限强 度６ 之 前 的 塑 性 变 形 极 小． 为 ０ ０ ＭＰ ａ即 宣 告 破 坏， 了体现极限强度的 概 念 ， 将螺钉在有限元分析中的 ） 本构关系设定为 如 图 ２（ 的 形 式， 利用材料“ 进入 ａ 来 控 制 收 敛， 进而得出极限荷 塑性产生 很 大 变 形 ” 载． 事实上 ， 螺钉材料 “ 进入塑性产生很大变形 ” 是几 因为实 际 上 螺 钉 一 旦 达 到 极 限 强 度 便 乎不可能的 ，
自攻螺钉连接抗剪承载力的有限元建模方法
王小平 ，房玉松
（ ） 武汉理工大学土木工程与建筑学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０
摘要 ： 随着轻钢龙骨体系及彩钢板的广泛使用 ， 自攻螺钉连接受力性能也越来越被人们重视 ． 目前国内有关自攻螺
其中有限元的建模方法各有不同 ． 采用 ＡＮ 钉连接受力性能的研究主要集中在试验和有限元分析两方面 ， Ｓ Ｙ Ｓ 有限 元软件建立了自攻螺钉抗剪连接的 ７ 种简化计算模 型 ， 对各种简化模型所得连接的极限承载力、 破坏形式及建模 得到了自攻 螺 钉 连 接 合 适 的 有 限 元 建 模 方 法 ， 为自攻螺钉抗剪承载力的理论研究提供有益的 特点进行了比较 ， 参考 ．
２ 有限元分析结果及比较
图 １ 力学计算模型 （ ｍｍ）
２． １ 有限元分析结果 针对表 １ 中 受 剪 螺 钉 试 件 的 ７ 种 有 限 元 模 型 ， 均采用大位移静态求解 ， 并考虑材料的非线性 、 部分 有限元模 型 的 非 线 性 接 触 状 态 和 Ｖ ｏ ｎ Ｍ ｉ ｓ ｅ ｓ屈 服 准则 ． ７ 种有限元模型求解的 Ｖ ｏ ｎ Ｍ ｉ ｓ ｅ ｓ应力云图 、 板端的位移 －荷载曲线 、 试件破坏过程及极限抗剪承 载力如表 ２ 所示 ． ２． ２ 规范计算结果及比较 根据 Ｇ 冷弯薄壁型钢结构技术 Ｂ ５ ０ ０ １ ８ ２ ０ ０ ２《 －
， ＷＡＮＧ Ｘ ｉ ａ ｏ ｉ ｎ Ｆ ＡＮＧ Ｙ ｕ ｓ ｏ ｎ ｐ ｇ ｇ
（ ，Ｗｕ ，Ｗｕ ） Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ ａ ｎ ｄ Ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｙ ｇ ｙ
６］ 断裂了 ［ ．
厚钢板连接而成的试件抗剪承载力 ：
３ ｆ ／ 当ｔ ｔ ＝１ 时 Ｎｖ ＝３． ７ ｔ ｄ ｆ １ 槡
由于 Ｑ 应力应变曲线存在 ２ ３ ５钢 板 延 展 性 好， 明显流幅 ， 因此钢板的应力应变关系设定为三线形 ， （ ） 如图 ２ 所示 ． 这 ３ 条 线 段 分 别 代 表 ３ 个 阶 段： 弹 ｂ 性阶段 、 屈服 后 的 强 化 阶 段 和 材 料 破 坏 阶 段． 事实 上， 第 ３ 阶段应为下降段 ， 但是由于在 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 程序 中， 若材料本构关系带下降段 ， 则模型计算时很难收 敛， 因而本文在此将第 ３ 条直线处理成水平段 ． 对于 其抗拉强度处于３ 一般 Ｑ ２ ３ ５ 碳素结构钢， ７ ５～４ ６ ０ 为简化起见 ， 均取 ４ ＭＰ ａ 之间 ， ０ ０ ＭＰ ａ ． １． ３ 有限元建模方法 采用 ＡＮ 受剪螺钉试 Ｓ Ｙ Ｓ有 限 元 软 件 建 模 时， 件中单元的简化方 法 分 两 种 情 形 ： 第一种为连接板 第二种为连接板采用壳单 和螺钉均采用实体 模 型 ； 元， 螺钉采用实体单元 ． 按照 剪 力 的 传 递 方 式 不 同 ， 有限元建模方法可
找出了适合自攻 螺 钉 抗 剪 承 载 力 的 有 限 元 分 析 较， 建模方法 ， 为类似的理论分析提供参考 ．
收稿日期 ： ２ ０ １ １ １ １ ２ ０ － － ， ： 作者简介 ： 王小平 （ 男， 博士 ， 教授 ， 从事钢结构研究 、 设计和教学工作 ， １ ９ ６ ５ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｗ ｄ ｘ ｗ＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ． －） ｇ ｐ ） 基金项目 ： 国家科技支撑计划项目 （ 编号 ： ２ ０ ０ ６ Ｂ Ａ Ｊ ０ ４ Ａ ０ ２ １ ５ ．