螺栓连接的有限元分析

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惯导系统螺栓连接结构的有限元分析与试验验证

惯导系统中大量采用了螺纹紧固件进行连接，
细节，一些倒角、的孑洞等，可以避免应力如小Ｌ并
奇异，以便于进行后续的有限元分析计算；性惯组合件的几何模型较为简单、则，以直接进规可
Ｋｅｗｏｄ：ｏｔｄｊｉｔｉｉｌｍｅｔａａｙｉ；ｍｏａｅｐｒｍｅｔｙｒｓｂｌｅｏｎ；ｆｔｅｅｎｎｌｓｓｎｅｄｌｘｅｉｎ
ｌ引言
模型进行简化处理，掉对分析结果无足轻重的去
惯导系统作为一种精密设备，固有振动特性其将直接影响到系统的工作性能。因此，导系统设惯计初期利用有限元仿真对系统的固有振动特性进行分析是一项必要的工作，析结果的准确度在一定分程度上也决定了惯导系统一次设计是否成功。
关键词：栓连接；限元分析；态试验螺有模中图分类号：ＴＨ１１３３．文献标识码：Ｂｄｉ１．９９ｊｉｎ１７—４７２１．３０６ｏ：０３６／．ｓ．６４３０．０１０．０ｓ
ＦｉｉｅＥｌｍｅｔＡｎｌｓｓａｄＥｘｅｉｅｔｌＶａｉａｉｎｏｎｔｅｎａｙｉｎｐｒｍｎａｌｄｔｏｎ
Ｖ１５Ｏ３ｏ．１Ｎ．
工程与试验ＥＩＥＩＧ＆ＴＥＴＮＧＮＥＲＮＳ

外伸式端板螺栓连接节点的有限元分析

— —
ｍｉｌｌ
端板
１２
１２
× ｔ ” × ｔｆ￣
ｈｂｘｔ × ｔｌｘ６，
直径叱厚度
上的节点连接形式称为端板螺栓连接，当端板伸出梁高范围之外时称为外伸式端板螺栓连接＿２Ｊ。端板螺栓连接属于抗弯连接的
外伸式端板螺栓连接节点的有限元分析★
李
摘
丰
高磊磊
４５１１９１）
（河南工程学院土木工程系，河南郑州
要：利用有限元ＡＮＳＹＳ对外伸式端板螺栓连接节点受力性能进行了分析，从改变端板厚度和螺栓直径方面进行了节点受力
Ｈ３００ ×１６Ｏ ×８× １２Ｈ３００×２５０× ８ ×１２ｌ８
０引言
梁柱节点连接是门式刚架结构和多层钢框架结构研究设计组号编号中重要内容之一，节点连接的可靠性和有效性对结构整体性能影第Ｂ０Ｉ｜ＴｌＢＯＩＩ２响重大… 。在梁端焊上端板，用高强螺栓将端板再连接于柱翼缘
一
组第
二
Ｂ０Ｉ
２２１８
Ｈ３００ ×ｌ６ｏ ×８× １２Ｈ３ｏｏ×２５０ ×８×１２１８
１２１２
１６
ＥＥＰｌ
ＥＥＰ２
类，在门式刚架结构和多层轻型钢框架结构中，该连接形式在
第３９卷第１５期２０１３年５月
ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ

(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。

螺栓连接地有限元分析报告

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。

经验公式与有限元分析相结合的螺栓强度校核方法

经验公式与有限元分析相结合的螺栓强度校核方法1. 概述螺栓是应用广泛的可拆卸紧固件，实际工程中经常需要进行螺栓强度校核和选型。

机械设计手册中给出了螺栓选型的经验公式，这些公式是合理有效的，但需要明确输入螺栓的轴向和横向载荷，这些载荷通常很难用理论计算或经验估计方法确定。

有限元分析能够处理螺栓连接的结构，但有限元分析中的螺栓连接通常是做了大量简化，导致螺栓应力结果不准确，无法作为螺栓校核选型的依据。

因此，本文考虑将经验公式与有限元分析相结合来进行螺栓校核选型。

通过有限元分析来确定螺栓所受的轴向和横向载荷，以此作为经验公式的输入，完成螺栓校核选型计算。

关于螺栓选型，需要明确最小拉力载荷和保证载荷这两个概念。

当试验拉力达到最小拉力载荷时，要求螺栓不得发生断裂。

在试件上施加保证载荷后，其永久伸长量(包括测量误差)，不应大于12.5微米。

最小拉力载荷和保证载荷的具体数值参见GB/T 3098.1-2000~ GB/T 3098.17-2000。

跟螺栓选型相关的几个标准规范如下：· GB/T 3098-2000 紧固件机械性能· GB/T 16823.1-1997 螺纹紧固件应力截面积和承载面积· QC/T 518-2007 汽车用螺纹紧固件紧固扭矩· GB/T 5277-1985 紧固件螺栓和螺钉通孔2. 螺栓强度校核经验公式2.1 受横向载荷普通紧螺栓在预紧力作用下，压紧被连接件，被连接件间产生摩擦力，抵抗横向载荷。

螺栓杆受拉伸扭转综合作用。

如果连接件之间的摩擦力不足以抵消横向载荷，则被连接件发生横向错动，螺杆可能被剪断。

图1受横向载荷普通紧螺栓其强度校核计算公式如下：螺栓所受横向外载荷为F A 。

为产生足够的摩擦力抵抗F A ，所需最小预紧力F p 为：上式中，K f 为可靠性系数，一般取1.1-1.3；m 为结合面数目；f为结合面摩擦系数。

按照最小预紧力F p 计算螺栓应力σ，进而确定所需的螺栓屈服强度σs ，最终可选定螺栓公称直径和强度等级。

基于组合垫片和扭矩的螺栓连接有限元分析

Equipment Manufacturing Technology No.52020 0引言[1]/[23][4]/Inconel678N m950N m[5]FE1理论分析模型1CAD [6]2Abaqus[7]Abaqus C3D20R基于组合垫片和扭矩的螺栓连接有限元分析付曦林441000摘要：为了分析加压加热器螺栓连接引起的泄漏问题，针对不同类型的垫片厚度进行组合，在不同扭矩下进行螺栓连接的有限元分析。

首先建立了管板的三维有限元模型，管板装配体主要包括法兰、螺栓，内外垫片和容器压盖。

通过改变组合垫片的材料和螺栓扭矩载荷来研究分析，分析结果发现在组合垫片和压力负载下，相同的垫片厚度，外垫片的应力值比内垫片更高，较厚的垫片可在榫舌区域提供较大的间隙，承受更大的扭矩，从而提高密封性能，分析结果还可以预测螺栓连接的性能，并揭示泄漏问题。

关键词：加压加热器；泄漏；有限元分析；垫片中图分类号：TH131文献标识码：A文章编号：1672-545X（2020）05-0062-04收稿日期：2020-02-02作者简介：1997-图2螺栓装配体的有限元分析模型图1螺栓装配体的CAD模型202051.1计算边界条件1234A Inconel B C [8]-1C Inconel B2Inconel B Inconel B 3A A 1.2螺栓扭矩载荷参数3.20mm [9]678N m 949N m [10]F =M /0.15×ϕ678N m ϕ=31.75mm F =142343N 949N m ϕ=31.75mm F =199280N 1.3螺栓装配体材料参数122分析结果6[11]34Von-Mises a Inconel b Inconel Inconel c 3.20mm ~3.20mm 678N m 949N m 3表1装配体不同材料参数/GPa203.40.3203.40.3203.40.3表2不同垫片厚度组合分析模型/mm /N m1C B 3.20~3.206782B B3.20~3.206783A A 3.20~3.206784C B 3.20~3.209495B B 3.20~3.209496A A 3.20~3.20949c 图3三种类型垫片的Von Mises 应力图（内外垫片厚度为3.20mm~3.20mm；扭矩为678N ·m）61.457.253.048.844.643.435.232.027.823.619.415.211.0MPaS 0.00639MisesAvg:75%b Inconel Inconel 61.457.253.048.844.643.435.232.027.823.619.415.211.0MPaS 0.00639Mises Avg:75%a Inconel 61.457.253.048.844.643.435.232.027.823.619.415.211.0MPaS 0.00639Mises Avg:75%Equipment Manufacturing Technology No.520205 3.17mm 949N m 2.334mm 4.75mm 3.175mm 0.762mm 678N m 142kN 87.8kN 44kN 70~80MPa0.762mm 949N m [12]3结束语参考文献：[1].[M].2011.[2].[J].201046222-24.[3].[D].2012.[4]Camanho P P Matthews F L.Stress analysis and strengthprediction of mechanically fastened joints in FRP a reviewa Inconel 61.457.253.048.844.643.435.232.027.823.619.415.211.0MPaS 0.00639Mises Avg:75%c 图4三种类型垫片的Von Mises 应力图（内外垫片厚度为3.20mm~3.20mm；扭矩为949N ·m）61.457.253.048.844.643.435.232.027.823.619.415.211.0MPaS 0.00639Mises Avg:75%b Inconel Inconel 61.457.253.048.844.643.435.232.027.823.619.415.211.0MPaS 0.00639Mises Avg:75%图5三种组合垫片螺栓的Von Mises 应力图（内外垫片厚度为3.20mm~3.20mm；扭矩为949N ·m）Mises MPa970.0889.2808.5727.7646.9566.2485.4404.6323.9243.1162.381.60.8970.0889.2808.5727.7646.9566.2485.4404.6323.9243.1162.381.60.8Mises MPaMises MPa970.0889.2808.5727.7646.9566.2485.4404.6323.9243.1162.381.60.820205Finite Element Study of Double-Gasket Bolted Joint Connectionfor Different Gaskets And Bolt TorquesFU Xi-linJingchu University of Technology Xiangyang Hubei 441000China Abstract：In order to analyze the leakage problem caused by the bolt connection of the pressurized heater the fi-nite element analysis of the bolt connection at different torques is performed for different types of gasket thickness-es.Firstly a three -dimensional finite element model of the tube sheet is established.The tube sheet assembly mainly includes flanges bolts inner and outer gaskets and container glands.By changing the material of the com-bination gasket the thickness of the gasket and the bolt torque load the analysis results show that under the com-bined gasket and pressure load the same gasket thickness the stress value of the outer gasket is higher than that of the inner gasket.The thick gasket provides a large gap in the tongue area and withstands greater torque which improves sealing performance.The results of the analysis predict bolting performance and reveal leaks.Key words：pressurizer heater leakoff finite element gasket[J].Composites Part A Applied Science and Manufacturing 1997286529-547.[5].[D].2011.[6].[J].2009262389-393.[7]Gray P J McCarthy C T.A global bolted joint model for fi-nite element analysis of load distributions in multi-bolt com-posite joints [J].Composites Part B Engineering 2010414317-325.[8].CFRP [D].2014.[9].ABAQUS [M].2007.[10].[M].1994.[11].[J].200632252-56.[12].[J].201813593-97.Topology Optimization Design of Forklift Steering BridgeFU Hui-peng 1LIU Zong-xing 2WU Jian-cheng 11.Hangcha Group Co.Ltd.Lin an Zhejiang 311305China2.Northwestern Polytechnical University Aviation Academy Xi an 710072China Abstract：In order to transform the forklift steering bridge from a welded structure to a cast structure and reduce the weight of the steering bridge a finite element numerical model of the forklift steering bridge is established in this paper and the force characteristics of the forklift steering bridge are analyzed.Then determine the optimiza-tion model define the optimization goals and target variables and use the ABAQUS topology optimization functionto comprehensively consider the forklift in normal driving and extreme turning conditions and optimize the steer-ing axle integrated casting structure.The steering axle integrated casting structure has a good bearing capacity and successfully reduced weight.Key words：forklift finite element ABAQUS topology optimization参考文献：[1].[J].2001644-45.[2].Hypermesh [J].2018831-32.[3].[J].2018986-90.[4].[J].2014238-42.[5].[D].2010.[6].[J].20111015-19.61。

Abaqus螺栓有限元分析报告

适用标准1.剖析过程1.1. 理论剖析1.2. 简化过程假如将 Pro/E 中的 3D 造型直接导入 Abaqus 中进行计算，则会出现裂纹空隙没法修理，给后期的有限元剖析过程造成不用要的麻烦，所以，在 Abaqs 中进行计算以前，对本来的部件模型进行一些简化和修整。

A.法兰部分不是剖析研究的要点，所以将其简化掉；B.经计算， M24× 3 的螺纹的升角很小，在度，所以能够假定螺旋升角为 0；C.忽视螺栓和螺母的圆角等细节；1.3. Abaqus 中建模查阅机械设计手册，获得牙型以下列图所示，在Abaqus 中依据下列图所示创立出 3D 模型，如图 1-1 所示。

相同的方式，我们成立螺母的 3D 模型 nut ，如图 1-2 所示。

图 1-1图 1-2成立资料属性并将其给予模型。

在Abaqus 的 Property 模块中，选择Material->Manager->Create，创立一个名为 Bolt&Nut 的新资料，第一设置其弹性系数。

在 Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为 193000Mpa，设置其泊松比为，如图1-4 所示。

成立截面。

点击 Section->Manager->Creat，成立 Solid，Homogeneous 的各向同性的截面，选择资料为 Bolt&Nut ，如图 1-5 所示。

将截面属性给予模型。

选择Assign->Section，选择 Bolt 模型，而后将刚才建立的截面属性给予它。

如图1-3 所示。

相同，给螺母nut 给予截面属性。

图1-3图1-4图 1-5而后，我们对成立的 3D 模型进行装置，在 Abaqus 中的 Assembly 模块中，我们同时调入两个模型，而后使用Constraint->Coaxial命令和Translate和Instance 命令对模型进行挪动，最后的装置结果如图 1-6 所示。

Abaqus螺栓有限元分析(汇编)

建立截面。点击Section->Manager->Creat，建立Solid，Homogeneous的各向同性的截面，选择材料为Bolt&Nut，如图15所示。
将截面属性赋予模型。选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建立的截面属性赋予它。如图13所示。同样，给螺母nut赋予截面属性。
1.
1.1.
1.2.
如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。
A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉；
B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0；
图112
图113
图114
第六步，定义接触面。接触面是Abaqus分析中非常重要的一环。进入Abaqus中的Interaction模块，先在Tools->Surface菜单中设置我们要定义的两个相互接触的面。如图115所示，螺栓上的接触面主要是螺纹的下表面，按着Shift键依次将其选中。如图116所示，螺母上的接触面主要是螺纹的上表面，同样按着Shift键依次将其选中。设置接触面的属性。选择Interaction->Manager->Creat中创建接触面，类型选择面和面接触，选择Mechanical->TangentialBehavior，输入摩擦系数为0.14，选择Mechanical->NormalBehavior，接受默认设置，最终设置如图117所示。选择Interaction->Creat，创建螺栓和螺母之间的接触，接触，类型选择刚刚定义的接触类型，设置结果如图118所示。

5_UG有限元螺栓连接分析实例_沈春根

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；

螺栓连接 ansys有限元分析

螺栓联接的有限元分析问题描述如图所示，两个长方形平板通过两个螺栓连接在一起，具体几何尺寸如下：L1=0.05m,L2=0.03,L3=0.03,L4=0.09,W=0.07,板子的厚度H=0.008m，螺母半径R1=0.008m，螺母厚度H1=0.004，两个螺栓的中心距L=0.03m，螺杆半径R2=0.05，模型采用SOLID186单元模拟板子，采用接触向导定义接触对，材料参数：板材的弹性模量为2.1E11pa,泊松比0.3，应力应变关系为双线性等向强化，其中屈服强度为400Mpa,切线模量为2E10pa,螺栓的弹性模量为 2.1E11pa,泊松比为0.32，应力-应变关系为双线性等向强化，其中屈服强度600Mpa,切线模量为2E10pa。

载荷及边界条件：螺栓连接模型承受螺栓预拉伸应力和外拉伸两种载荷，因此计算中采用两个载荷步进行加载，第一个载荷设置螺栓的预拉伸力为1000N，第二个载荷步设置板子的右端承受60Mpa的拉力固定约束在板子左端一、建立有限元模型（1）定义单元类型本实例分析的问题中涉及到大变形，故选用Solid186单元类型来建立本实例的模型。

本接触问题属于面面接触，目标面和接触面都是柔性的，将使用接触单元TARGE170和CONTA174来模拟接触面。

接触单元在分析过程中使用接触向导时可以自动添加，这里就不再添加。

下面为定义单元类型的具体操作过程。

1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，将弹出Element Types (单元类型)对话框。

单击对话框中的Add按钮，将弹出Library of Element Types (单元类型库)对话框。

2．在单元类型库对话框中，靠近左边的列表中，单击“Structural Solid”一次，使其高亮度显示，指定添加的单元类型为结构实体单元。

然后，在靠近右边的列表中，单击“Brick 8node 186”一次，选定单元类型Solid186 为第一类单元。

Abaqus螺栓有限元分析报告

的3D模型进行装配，在Abaqus中的Assembly模块中，我们同时调入两个模型，然后使用Constraint->Coaxial命令和Translate和Instance命令对模型进行移动，最终的装配结果如图16所示。
图16
第四步，对模型进行网格划分。进入Abaqus中的Mesh模块，然后选择Bolt零件，使用按边布种的方式对其进行布种，布种结果如图17所示。在菜单Mesh->Control中进行如图18所示的设置使用自由网格划分，其余设置使用默认。在菜单Mesh->Element type中选用如图19所示的设置。按下Mesh图标，对工件进行网格划分，最终的结果如图110所示。同样的方式对螺母模型nut进行网格划分，最终结果见图111所示。
图119
图120
表1
标号
A
B
C
应力(MPa)
319.477
1029.56
1103.2
1.
1.1.
1.2.
如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。
A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉；
B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0；
C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节；
1.3.
查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如图11所示。同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如图12所示。
图11
图12
建立材料属性并将其赋予模型。在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为0.3，如图14所示。

螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析

ＡｂｔａｔＢａｅｎＡＮＳｓｒｃ：ｓｄｏＹＳ，ｈＤｏｌｎａｎｔｌｍｅｔｍｏｅｆｂｌｓｆｎｅｃｎｅｔｇｓｒｃｕｅｗａｓａ — ｔｅ３－ｎｎｉｅｒｆｉｅｅｅｎｄｌｏｏｔ－ａｇｏｎｃｉｔｕｔｒｓｅｔｂｉｌｎ
螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析
高旭曾国英
四川绵阳６１１）２００
（西南科技大学制造科学与工程学院
摘要：利用ＡＳＳ有限元分析软件建立了螺栓法兰连接结构的实体非线性有限元模型，该模型模拟了法兰间接ＮＹ触、螺母与法兰间接触以及螺栓头与法兰间的接触，同时考虑了预紧单元模拟螺栓预紧力对结构的影响。通过对有限元模型在不同边界条件下、不同基础激励下进行瞬态动力学分析得出稳态响应信号，进而对信号进行差值处理得出不同边
２１００年４月
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＡＴＯＮＣＩＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ａｐ．０１ｒ２０
第３卷第４期５源自Ｖ０．５Ｎｏ４１３．
Ｄ：１．９９ｊｉｎ０５０５．０００．１ＯＩ０３６／．ｓ２４— １０２１．４０６ｓ．
ｄｆｒｎｏｎａｙｃｎｉｏｓｗａｉｃｓｅＴｅｒｌａｉｔｆｔｅｆｉｌｍｅｔｍｏｅｏｔ．ａｇｏｎｃｉｇｓｒｃｕｅｉｅｅｔｂｕｄｒｏｄｔｎｓｄｓｕｓｄ．ｈｅｉｂｌｙｏｈｎｔｅｅｎｄｌｂｌｓｆｎｅｃｎｅｔｎｔｕｔｒｉｉｉｅｌ

基于有限元分析的螺栓建模方法研究

0 引言螺栓联接常用于连接两个或两个以上的部件，具有价格低、成本小、传递载荷大等优点，被广泛地应用在工程机械中，是最常用的连接方式之一[1-3]。

螺栓结构校核考虑因素较多，需要从几何结构和载荷校核等多方面进行分析。

通常情况下，螺栓一旦出现接触面滑移或者间隙情况，即认为螺栓失效，这种情况下需要进行螺栓有限元分析（FEA ）[4-6]。

模型是FEA 的前提，准确地建立螺栓模型的成为螺栓可靠性校核的关键。

鉴于分析目的的不同，螺栓模型的选取也不同，本文中给出了螺栓连接5种建模方式并进行了讨论。

1 螺栓结构分析1.1 螺栓刚度如图1所示，在拧紧过程中，螺栓会受到沿轴向的拉伸力，使螺栓伸长。

根据胡克定律，螺栓的伸长量可由施加在螺栓上的预紧力除以“弹簧刚度”确定，“弹簧刚度”与螺栓材料的弹性模量、横截面积和长度相关，螺栓的“弹簧刚度”通常被称为螺栓刚度（K ），螺栓刚度由下式计算：KK =FF ∆xx = AALLE (1)其中：F 为螺栓内残余预紧力，A 为螺栓横截面积，L 为螺栓拉伸长度，E 为杨氏模量。

计算螺栓刚度K ，需要确定螺栓尺寸和联接组件厚度。

联接组件厚度包括螺栓杆长度（L 1），未啮合长度（L Gew ），过渡或者缩小直径段长度（L 2），见图2。

由于这三段直径并不相等，所以需要把它们考虑成一组串联弹簧来计算总体刚度，即：1KK =1KK 1+1KK 2+1KKKK 1=EE ×AA 1LL 1, KK 2=EE ×AA 2LL 2, KK =EE ×AA LLGG ee wwGG ee ww GG ee wwGG ee ww (2)1.2 连接组件刚度被夹紧的几个联接组件，可能材料并不相同，所以各基于有限元分析的螺栓建模方法研究Researches on Bolt Modeling Method by FEA宋士超宗波（徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏徐州 221004）摘要：螺栓结构是最常见的连接方式，通常采用有限元分析方法对其校核。

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。

框架的高强度螺栓连接简化计算及有限元分析

先采用ＶＩ２０高强度螺栓计算规范，选用的螺Ｄ２３对
栓连接结构进行计算，后根据算例的边界条件，然采用ＡＳＳ２０对螺栓连接结构进行有限元模拟计ＮＹ１．算，后对比计算结果和有限元模拟分析结果。最
ｔｃｎｃｕｐｒｆｒｓｍｕａｉｇｌｒｅａｓｍｂｙｓｒｃｕｅｂｎｔｌｍｅｔａｄｃｎａｓｈｒｎｄｖｌｐｎｙｌ．ｅｈｉａｓｐｏｔｏｉｌｔａｇｓｅｌｔｔｒｙｆｉｅｅｎ，ｎａｌｏｓｏｔｅｅｏｍｅｔｃｃｅｌｎｕｉｅｅ
研究与分析
２２第４总２期）・械研莞．用・０年期（第１１０机与应
框架的高强度螺栓连接简化计算及有限元分析
杨昆，梁铭，宁霞傅
（东纺织职业技术学院，东佛山５８４）广广２０１
摘
要：通过建立外伸端板连接螺栓模型作为算例，采用ＶＩ２０高强度螺栓计算规范，Ｄ２３对选用的螺栓连接结构进行
计算，然后根据算例的边界条件，采用ＡＳＳ１．ＮＹ２０对螺栓连接结构进行有限元模拟计算，最后对比计算结果和有限元模拟分析结果。通过对比两种计算结果可知，用有限元分析方法模拟计算高强度螺栓的强度，利可以得到与工程计算非常相近的结果，可为有限元模拟大型装配体结构提供技术支持，这缩短开发周期。
高强度螺栓具有装配简便、耐疲劳、换、接可拆连的整体性及刚度较好等优点…，在钢结构框架中常采用这种连接方式。连接螺栓作为钢结构框架中的

干涉螺栓连接有限元分析

Compu,m
0045-7949(94)00447-l
& Srrmrurrs Vol. 55. No. 2, pp. X7-363. 1995 CopyrIght 3; 1995 Elsev~er Saence Ltd Printed in Great Bntam All rights reserved 0045-794919s $9.50 + 0.00
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N. Sundarraj et al straight will bend due to bearing pressure between the bolt shank and the plates. This configuration of the bolted joint is to be analysed for stresses under the combined effect of the clamp-up load P and the pin-bearing load F. The crucial aspects of the present analysis are: (i) Since the plates are assumed to be large, the clamp-up load P and its effect on the joint (in the absence of pin-bearing load F) will be axisymmetric. The plates will be in contact only over a circular region of radius c, and will lose contact over the remaining region. This contact region is unlikely to be significantly affected by the pin-bearing load F. So while considering the combined effect of P and F, it is assumed that the contact region remains circular. (ii) The analysis will be carried out over an axisymmetric part of the joint whose outer radius is 4-6 times larger than the radius c of the expected annular contact region between the plates. (iii) The bolt is considered to be an interference fit, so that the contact is maintained all along the boltplate interface. If the contact is lost over a partial region, the axisymmetry of the problem will be lost. So, the current analysis would be applicable only for loads which maintain full contact along the boltplate interface (i.e. up to initiation of separation). Since the plates are assumed to be large, the details of load transfer at bolt-plate interface would not be affected by any statically equivalent loading at the outer axisymmetric boundary. Solution to the problem of point-loaded infinite plate is available in literature [13]. The normal and shear stresses from this solution are introduced as the load applied on the outer boundary. Such a loading is non-axisymmetric and will be dealt with by a harmonic analysis. Smooth (zero friction) surface conditions are assumed so that the axisymmetric field is not disturbed. This implies that the load transfer is primarily along the load-bearing surfaces between the bolt and the holes. Joints where the effect of friction is significant would need a 3-D analysis.

螺栓预紧的有限元分析及计算

第））卷第！期锻压装备与制造技术Vol.55No.6CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY Dec.2020螺栓预紧的有限元分析及计算董超，陈福建，刘刃，孙红梅,孙成丽（济南二机床集团有限公司，山东济南2500220摘要:螺栓联接在机械联接结构中具有广泛的应用，绝大多数螺栓连接都需要适当的预紧。

本文对螺栓加套筒结构的预紧进行研究，通过有限元分析及理论计算,确定合适的预紧扭矩，并对螺栓的残余预紧力及静强度进行校核，为螺栓规格与预紧扭矩的选取及强度校核提供参考。

关键词：螺栓;预紧;有限元分析;预紧扭矩;残余预紧力中图分类号:TG315.5 文献标识码:AD01：10.16316/j.issn.l672—0121.2020.06.012文章编号：1672—0121（2020）06—0055—03在机械联接结构中，螺栓联接由于具有结构简单、拆卸方便、标准化等优点而得到广泛应用。

为保证其联接可靠性，通过对螺栓联接施加预紧扭矩从而产生预紧力将螺纹拧紧是最常用的预紧方法。

但预紧扭矩的大小需适当控制，过大的扭矩会增大螺栓的应力,过小的扭矩则会降低螺栓联接的可靠性。

为方便通过理论计算对螺栓预紧有限元分析结果进证对力的螺栓联接进行分析，联接由一个螺栓、螺母、组成。

螺栓螺纹规格为M20x2.5,材料为碳钢等为6.8的为22为40,高度为50,材为45钢。

对于联接用的螺栓联接的预紧力可按[1]:碳素钢螺栓（0.6〜0.7）!s#i（D合金钢螺栓（0.5〜0.6）!s#i（2）式中:!s—螺栓材料的限；#i——螺栓的。

1螺栓预紧的有限元分析利用NX软件建立假定的承受预紧力与轴向工力的螺栓接的。

将进力分析，为螺栓预紧。

的螺栓接1。

1.1计算两个套筒的组合刚度收稿日期:2020-07-10；修订日期:2020-08-05作者简介:董超（1986-），男，工程师，机械设计员，从事压力机设计研发。

带预紧力的螺栓连接有限元分析

由于螺栓与法兰均为回转体，所以只对 1/4 模型分析即可。利用 ANSYS Workbench 中 Designmodeler 模块进行建
（a）预紧力 0N 时法兰 1、法兰 2 变形图（b）预紧力 2000N 时法兰 1、法兰 2 变形图
42
现代制造技术与装备
2019 第 10 期总第 275 期
HUANG Haihe, WANG Anning （Jinan Heavy Industry Group Co., Ltd., Jinan 250109） Abstract: When the machine is assembled by bolting, the bolts need to be tightened in most cases, so that the connection is pre-stressed before being subjected to the working load. The
3 结语
通过本文分析可知，随着螺栓预紧力增加，法兰变形
量增大，但螺栓预紧力过大、法兰直径过小时，螺栓预紧
力会加大法兰的变形量；随着螺栓预紧力增加，螺栓变形
量减小，但螺栓预紧力过大时，螺栓变形量会加大，甚至
发生塑性变形。
参考文献
[1] 濮良贵，陈国定，吴立言，等 . 机械设计 [M].8 版 . 北京：高等教育出版社，2006.
关键词：螺栓预紧力载荷
1 紧螺栓连接力学分析
螺栓在安装时需要拧紧，即预紧。预紧使得螺栓被拉伸、
被连接件被压缩，螺栓承受拉力和被连接件承受的压力 F0 即为预紧力，又被称为预紧载荷，如图 1 所示。当连接承受工作载荷 Fe 后，螺栓被进一步拉伸、被连接件被放松，螺栓承受的拉力有 F0 增加到 F，而被连接件的压力减小为残余预紧力 Fr。根据机械设计理论，力 F 和 Fr 的大小如式（1）、式（2）所示。