螺纹连接模拟分析的简化建模

螺纹连接模拟分析的简化建模
赵军涛，李韬，杨甲申
(中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032)
摘要：螺栓螺纹仿真简化建模方法可以给出非常接近真实螺栓螺纹受力仿真分析数据结果而不需要建立详细的几何模型和网格二次划分，在大型复杂装配体的模拟分析中，能节约大量的计算时间和成本。

同时，本文通过专用单元方式施加了螺栓预紧力。

文章描述了实际螺纹和简化螺栓螺纹的区别，分别创建了螺纹、盖板和底板模型，并给出了螺栓预紧力作用截面和接触对。

分析结果显示螺栓轴向位移的最大值和最小值误差分别为2.4%和1.9%，相应位置上Von Mues应力相差很小，简化模型计算时间是实际模型的1/10$
关键词：螺栓；螺纹；接触单元；预紧力
中图分类号：U213.5文献标识码：A文章编号：1001-196X(2019)02-0069-04
A simplified modeling technique for bolt thread simulation
ZHAO Jun-taa，LI Tag，YANG Jia-shen
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Lth.，XiUn710032，China)
Abstract：The simplified modeling technipue for bolt thread simulation delivers approximate results with the neaeaccueacyottheteuetheeaded boatmodea，butwithouttheneed toedetaiaed theead geometeyand eetined mesh discretization.The method also olers a significant savings in simulation time and costs for larye complei assembly with bolt pretension loading.The article describes to give bolt pretension loading with the special ele­ment.It explains the dUferenco between true and simplified model，meanwhUe modeling the bolt with cover and base plate and giving pretension loading section and contact pairs.The result reveals the mci and min error of bolt axial displacement are2.4%and1.9%respectively，the Von Mises stress is approximation in the same position，the simplified modeling simulation time is about1/10of the true threaded bolt model simulation time. Keywords:bolt；thread;contact element；pretension loading
0前言
螺栓连接并紧固装配体是机械设备最为常用方式。

数据模拟计算分析装配件是否达到预想的紧固性能效果，所建模型中需要详尽的包含预紧、摩擦效应的3-D螺栓模型。

然而，在处理大型复杂装配结构时，受模拟对象规模、计算机容量和计算成本的限制，考虑详尽的所有螺栓连接模型往往是很困难的。

在螺栓螺纹建模处理过程中，可以利用2-D或3-D接触单元简化建模并获得非常接近实
收稿日期：2018-12-23；修订日期：2019-01-28
作者简介：赵军涛（1973-）,男，中国重型机械研究院股份公司工程师$际模型的准确结果数据。

相对于整个装配体而言，不仅所含螺栓、螺孔的数量多，主要是螺纹区域几何尺寸细小、变化量大。

简化建模是把螺纹区域用在光滑的圆柱面上覆盖接触单元来模拟。

依据用户定义的螺柱、螺纹几何数据进行性能分析计算$
螺栓螺纹简化建模方法多用于螺栓主要起传递载荷功能的装配机构。

尤其是螺栓几何细节缺失、螺纹区再划分大量耗费资源的情形。

1问题描述
装配体螺栓连接的主要功能是实现预紧和零部件间的摩擦接触。

图1为普通M100螺栓连接盖板与底板的示意图。

螺栓承受预紧力，在螺纹
区、螺栓头与盖板、盖板与底板间存在3个摩擦接触面。

图1螺栓连接盖板与底板模型示意
螺栓装配时施加预紧力I+二210kN,装配后盖板上表面施加向上的均布载荷q二42MPa。

螺栓模拟分析主要关心的是预紧力和接触面摩擦引起的螺柱上的应力数据变化、及螺栓预紧力变化等对装配体整体强度刚度的影响。

通过这个模型将对螺栓简化建模和真实螺纹模型分别计算所产生的螺纹效应和螺栓应力等结果数据进行比较。

(1)实际螺纹模型。

实际螺纹模型完全按照真实螺栓螺纹几何形状建模(2-D或3-D),与实际相符的模型给出详尽的螺纹性能，同时螺纹区域进行二次再细分，细密的网格划分会占用大量的资源。

(2)简化的螺栓螺纹建模。

螺栓的螺纹区域可以用在相应直径的光滑圆柱面上覆盖接触单元来模拟，不需建立详尽的螺纹几何模型，是一种快捷简便的模拟方法。

2模型的建立
创建由标准M100标准螺栓连接的盖板和底板模型。

总体坐标系原点取螺栓下端圆截面中心，*,Z轴均指向半径方向，+轴向上与中心轴重合(图1)$可以分别用2-D轴对称单元或3-D实体单元模拟，螺栓、盖板和底板为双线性各向同性材料。

2.1创建螺栓、盖板和底板模型
建立螺栓下端有实际螺纹的模型，并建立螺栓下端光滑的模型。

M100螺栓长360mm，标准螺纹外径100mm，中径97mm，螺纹区长100 mm，节距4mm，螺纹角60。

，盖板、底板外径350mm，厚度分别为220mm和210mm。

2-D 轴对称单元(pgane8节点183单元)建立的实际螺纹连接模型如图2所示。

取代螺栓下端实际螺纹几何形状的是相应直径的光滑圆柱。

2-D轴对称单元简化模型如图3所示。

图2、图3中FCP 指零件间的摩擦接触面，双箭头表示预紧力。

50MPa
图22-D轴对称单元实际螺纹连接模型
50MPa
图32-D轴对称单元简化的螺栓连接模型
2.2建立螺栓预紧力作用截面
预紧力是螺栓连接结构模拟的要素之一。

预紧力始终保持作用并传递载荷，而一般结构的外载荷对螺栓的作用仅占其总载荷的小部分。

预载荷是通过上下板紧固产生，螺栓预紧力是假设把螺柱模型切成两段、且两段间互相拉伸模拟的，如图2、图3中双箭头所示。

在通用FEA分析计算ANSYS软件中，结构中紧固件如螺栓预紧力可通过两个步骤施加。

先对螺栓进行网格划分，使用程序语句PSMESH 或GUI格式在螺柱上选定的预紧力截面插入专用预紧单元PRETS179%再用程序语句SLOAD或GUI格式施加具体载荷。

2.3创建接触对
如图3所示，依据实际情况，模型中设定了3组摩擦接触对(FCP)以模拟零件互相接触面。

给定摩擦系数为0.15$2-D轴对称单元和3-D 实体单元模型中接触区分别用接触单元CON-TA172和CONTA174再划分；相应目标面用TARGE169(2-D)和TARGE170(3-D)戈“分，并设定增强拉格朗日算法。

模型中存在螺纹区、螺栓头
与盖板和盖板与底板等3组摩擦接触对(FCP)$
(1)实际螺纹模拟的螺纹区接触对定义。

在螺栓外螺纹面(接触面)和底板螺孔螺纹面(目标面)之间定义摩擦接触对。

与一般接触检测比较，使用表面投影接触检测，对被接触面覆盖的单元会产生更为准确的响应，实际3-D螺纹模拟的螺纹区接触对如图4所示。

底板螺孔上的目标面
图4真实螺纹模拟的螺纹区接触对
(2)简化建模的螺纹区接触对定义。

直接在螺栓前端圆柱面上生成接触单元CONTA174(3-D)或CONTA172(2-D),即螺栓上原螺纹区被简化为相应直径的圆柱面并设定为接触单元，接触区域依据用户定义的螺纹几何数据和螺纹区端点参数参与计算。

同样，目标单元TARGE170(3 -D)和TARGE169(2-D)在底板螺孔内壁圆柱表面生成，即接触面和目标面都是用相应位置的光滑圆柱面简化模拟(图3)$截面参数程序语句SECTYPE和SECDATA用来定义接触对参数。

螺栓头和盖板间的接触对、盖板和底板间的接触接触对位置明确，定义相对简单，如图2、图3中两横截面FCP处所示，同样设定使用表面投影接触检测。

3材料特性及边界条件
3.1材料特性
螺栓线弹性，弹性模量Q二2.0i105MPa，波松比”二0.3%双线性各向同性随动硬化常数,屈服极限0+=450MPa，切线切弹性模量Q&二2.0x104MPa。

盖板和底板线弹性，弹性模量Q=2.0x105 MPa，波松比"二0.3%双线性各向同性随动硬化常数，屈服极限0+ =280MPa，切线弹性模量Q&二2.0x104MPa。

3.2边界条件和载荷
底板底面各向固定，工况1施加螺栓预紧力I+=256.446kN%工况2在盖板顶面再施加向上的均布力6=42MPa。

通用有限元软件ANSYS 求解选项中激活大变形效应，分两载荷步完成非线性静态求解。

4结果分析
4.1轴向位移
螺栓受拉产生的轴向位移(UY)的效果如图5所示(2-D模型结果)$对比图5中两种方式的轴向位移！UY)的最大值和最小值误差分别为2.4%和1.9%。

图52-D轴对称单元模型轴向位移！UY)
4.2Von Mises应力
图6所示为2-D轴对称单元模型Von Mises 应力图，螺栓上Von Mises应力的分布、大小相似。

对比图6应力云图，两种方式产生的Von Mises应力最大值都在螺纹接触区上端，误差约为5.0%。

在螺栓截面尺寸变化最大的螺柱根部节点Von Mises应力值相差约为2.5%。

自总体坐标原点截取+=280mm螺栓截面，对该截面圆心到圆周的半径上作应力等效线性化(Linear­ized Stress)处理，对应各应力分布曲线如图7、图8所示。

同样可看出，相同位置上两组各对应数据相差很小。

(a)实际螺纹模拟
SEQV(AVG)
L9wc rGraphics
EFACET=1
AVRES-Mat
CMX-.682984
SMN-1.
SMX=509.799
二
1・18598
57・6985
114.211
17O・724
227・236
283・749
340.261
396・774
453・286
509.799
SEQV(AVG)
PowerGraphics
EFACET-1
AVRES-Mal
l)MX-.695751
SMN=.159854
SMX=484.067
・159854
™53.9273
™107.695
耳161.462
三215.229
268.997
322.764
三376.532
■430.299
484.067
(b)简化模型模拟
图62-D轴对称单元模型von Mises
应力
图7实际螺纹模拟+二280mm截面应力沿径向
分布的应力线性化曲线
图8简化模型模拟+二280mm截面上沿径向
分布的应力线性化曲线
4.3计算时间比较
在DELL Precision T7600工作站上运行时间比较如表1所示。

表1运行工作时间表
2-D轴对称模型计算时间/总迭代数节点数单元数真实螺纹模拟190.290343964413574螺栓截面法模拟40.654 3273732465如果对上述模型用3-D实体单元处理，做同样精度分析，真实螺纹模拟需划分实体单元约1200000个，其中接触和目标单元120000个;而简化的螺栓截面法模拟需划分实体单元约74000个，其中接触和目标单元5500个；计算时间前者是后者的10多倍。

5结束语
螺栓螺纹区及螺柱的模拟可以通过螺栓简化建模方式实现。

本文通过对两种方式的结果数据比较研究，充分显示出了螺栓简化建模方法的有效和简易性。

尤其是在需要建立3-D模型、有多个螺栓连接的且需考虑螺栓预紧力的大型复杂装配体模拟过程中，相对处理实际模型其效率具有明显优势。

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