基于ANSYS受剪螺栓预紧力处理方法研究_叶奇
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基于 ANSYS 受剪螺栓预紧力处理方法研究
叶奇 胡伟平 孟庆春 （北京航空航天大学，航空科学与工程学院，北京 100191） 摘要： 螺栓是工程中常见连接件， 在使用螺栓连接时一般需要对螺栓施加一定的预 紧力， 因此对含螺栓结构进行力学仿真时往往要求考虑螺栓预紧力的影响。 本文基 于 ANSYS 软件平台讨论了 3 种螺栓预紧力施加方法：预紧力单元(PRETS179)法， 降温等效法，初始渗透等效法。并采用上述方法进行连杆支座结构的接触分析，结 果表明，降温等效法及初始渗透法可有效模拟受剪螺栓预紧力。 关键词：受剪螺栓；预紧力；接触；模拟仿真
4
1)
结论
提出 3 种基于 ANSYS 螺栓预紧力模拟方法，预紧力单元法模拟结果最好，误差不到 1%； 降温等效法及初始渗透等效法模拟结果误差均在 4%以内，可用于螺栓预紧力模拟。
2)
由于预紧力单元不承受弯扭，预紧力单元法不适用于受剪螺栓预紧力模拟，此法可用于 单纯的预紧力分析或螺栓受螺杆轴向力的结构；降温等效法及初始渗透等效法均可有效 用于受剪螺栓，模拟结果误差不大，能很好地用于工程实际问题。
2
2.1 预紧力单元法
螺栓预紧力处理方法
ANSYS 中提供了预紧力单元 PRETS179，其用于定义已进行了网格划分结构内的二维或 三维预紧区，该结构模型可以由任意二维或三维结构单元（实体、梁、壳、管或链杆）建立。 PRETS179 单元有一个平动自由度：X（X 代表定义的预紧方向） 。ANSYS 对问题的几何条件 进行换算，使预紧力施加于 X 轴方向，而不考虑模型是如何定义的。载荷可用 SLOAD 命令 施加。 2.2 降温等效法 随着温度变化物体会有膨胀或收缩效应，若物体膨胀收缩受到边界限制，则物体会产生 应力。降温等效法即是利用这个特性来等效施加螺栓预紧力。在 ANSYS 中具体做法是对螺栓 施加温度载荷。其处理过程如下：
3
含受剪螺栓结构分析
对如图 1 所示连杆支座结构进行预紧力分析，以中截面预紧应力 96MPa 来进行预紧，其 分析结果如表格 1 所示。 预紧力单元法误差很小， 依此确定被紧固件压缩引起的螺杆变形量 l2 可行。降温等效法及初始渗透等效法误差均不大，可用来模拟螺栓预紧力。
表格 1 各预紧力模拟方法计算结果 中截面预紧应力(MPa) 理论值 预紧力单元法 降温等效法 初始渗透等效法 96 96.473 92.757 98.215 误差 — 0.49% 3.38% 2.31%
1
引言
螺栓连接是一种在航空、航天、机械等工程结构中非常常见的连接方式，在采用螺栓连 接时一般都会施加一定的预紧力[1]， 因此对结构进行力学仿真分析时必须考虑螺栓预紧力的影 [2][5] [3] 响 。李会勋等 ，Yingchun Hu 等[4]对螺栓预紧力模拟方法进行研究，得出预紧力单元法能 够较好模拟预紧力的结论，但在他们的研究中螺栓仅受轴向载荷，不承受剪切载荷。本文对 同时承受轴向载荷和剪切载荷的螺栓进行分析，研究适合该种情况的预紧力处理方法。
图 1 连杆支座结构
图 2 降温等效法
图 3 初始渗透等效法
当螺栓连接结构除了承受本身预紧力外，还承受其它载荷时，如连杆支座结构连杆端需 要受拉力作用，此时螺栓必然受剪，预紧力单元法不再适用。对于连杆支座结构，考虑降温 等效法及初始渗透等效法进行模拟，均能得到较理想的结果，如图 2、3 所示螺栓等效应力分 布。此两种方法可有效用于含受剪螺栓结构的分析。
参考文献
[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010. [2] 宋晋宇. 柴油机连杆螺栓预紧力的数值分析[J]. 柴油机设计与制造, 2006, 14(2): 307-311. [3] 李会勋, 胡迎春, 张建中. 利用 ANSYS 模拟螺栓预紧力的研究[J]. 山东科技大学学报, 2006, 25(1): 57-59. [4] Yingchun Hu, Yizhi Hu, Huixun Li, Junyan Hou. Research on Loading Simulation of Bolt Preload in Finite Element Analysis Based on ANSYS [J]. Advanced Materials Research, 2010, 156-157: 615-620. [5] Jeong Kim, Joo-Cheol Yoon, Beom-Soo Kang. Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints [J]. Applied Mathematical Modelling, 2007, 31: 895–911.
l l1 l2
(1)
l1
Fl EA
(2)Baidu Nhomakorabea
T =
l E
(3)
其中 l 为螺杆总伸长量， l1 为预紧力引起的伸长量， l2 为被紧固件压缩变形引起螺杆的伸 长量， T 为等效温降。其中 l2 的理论计算难以实现，考虑以预紧力单元法计算出的螺杆压 缩量来实现。 给螺栓温降 T ，由于螺栓的收缩受到被紧固件的限制，使得螺杆受拉、被紧固件受压。 通过这样的原理就能以温度降低来等效施加螺栓预紧力。 2.3 初始渗透法 通过 ANSYS 的接触分析的初始渗透（过盈配合）可以模拟螺栓的预紧力。具体做法是 接触分析时给定初始渗透为施加预紧力之后螺杆和被联接件的变形总和 l ，由于螺栓初始渗 透的影响， 螺杆会受到拉力， 被紧固件会受到压力， 即可模拟出螺栓的预紧力作用。 在 ANSYS 中初始渗透通过设定接触对的实常数 CNOF 来实现。
叶奇 胡伟平 孟庆春 （北京航空航天大学，航空科学与工程学院，北京 100191） 摘要： 螺栓是工程中常见连接件， 在使用螺栓连接时一般需要对螺栓施加一定的预 紧力， 因此对含螺栓结构进行力学仿真时往往要求考虑螺栓预紧力的影响。 本文基 于 ANSYS 软件平台讨论了 3 种螺栓预紧力施加方法：预紧力单元(PRETS179)法， 降温等效法，初始渗透等效法。并采用上述方法进行连杆支座结构的接触分析，结 果表明，降温等效法及初始渗透法可有效模拟受剪螺栓预紧力。 关键词：受剪螺栓；预紧力；接触；模拟仿真
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结论
提出 3 种基于 ANSYS 螺栓预紧力模拟方法，预紧力单元法模拟结果最好，误差不到 1%； 降温等效法及初始渗透等效法模拟结果误差均在 4%以内，可用于螺栓预紧力模拟。
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由于预紧力单元不承受弯扭，预紧力单元法不适用于受剪螺栓预紧力模拟，此法可用于 单纯的预紧力分析或螺栓受螺杆轴向力的结构；降温等效法及初始渗透等效法均可有效 用于受剪螺栓，模拟结果误差不大，能很好地用于工程实际问题。
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2.1 预紧力单元法
螺栓预紧力处理方法
ANSYS 中提供了预紧力单元 PRETS179，其用于定义已进行了网格划分结构内的二维或 三维预紧区，该结构模型可以由任意二维或三维结构单元（实体、梁、壳、管或链杆）建立。 PRETS179 单元有一个平动自由度：X（X 代表定义的预紧方向） 。ANSYS 对问题的几何条件 进行换算，使预紧力施加于 X 轴方向，而不考虑模型是如何定义的。载荷可用 SLOAD 命令 施加。 2.2 降温等效法 随着温度变化物体会有膨胀或收缩效应，若物体膨胀收缩受到边界限制，则物体会产生 应力。降温等效法即是利用这个特性来等效施加螺栓预紧力。在 ANSYS 中具体做法是对螺栓 施加温度载荷。其处理过程如下：
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含受剪螺栓结构分析
对如图 1 所示连杆支座结构进行预紧力分析，以中截面预紧应力 96MPa 来进行预紧，其 分析结果如表格 1 所示。 预紧力单元法误差很小， 依此确定被紧固件压缩引起的螺杆变形量 l2 可行。降温等效法及初始渗透等效法误差均不大，可用来模拟螺栓预紧力。
表格 1 各预紧力模拟方法计算结果 中截面预紧应力(MPa) 理论值 预紧力单元法 降温等效法 初始渗透等效法 96 96.473 92.757 98.215 误差 — 0.49% 3.38% 2.31%
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引言
螺栓连接是一种在航空、航天、机械等工程结构中非常常见的连接方式，在采用螺栓连 接时一般都会施加一定的预紧力[1]， 因此对结构进行力学仿真分析时必须考虑螺栓预紧力的影 [2][5] [3] 响 。李会勋等 ，Yingchun Hu 等[4]对螺栓预紧力模拟方法进行研究，得出预紧力单元法能 够较好模拟预紧力的结论，但在他们的研究中螺栓仅受轴向载荷，不承受剪切载荷。本文对 同时承受轴向载荷和剪切载荷的螺栓进行分析，研究适合该种情况的预紧力处理方法。
图 1 连杆支座结构
图 2 降温等效法
图 3 初始渗透等效法
当螺栓连接结构除了承受本身预紧力外，还承受其它载荷时，如连杆支座结构连杆端需 要受拉力作用，此时螺栓必然受剪，预紧力单元法不再适用。对于连杆支座结构，考虑降温 等效法及初始渗透等效法进行模拟，均能得到较理想的结果，如图 2、3 所示螺栓等效应力分 布。此两种方法可有效用于含受剪螺栓结构的分析。
参考文献
[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010. [2] 宋晋宇. 柴油机连杆螺栓预紧力的数值分析[J]. 柴油机设计与制造, 2006, 14(2): 307-311. [3] 李会勋, 胡迎春, 张建中. 利用 ANSYS 模拟螺栓预紧力的研究[J]. 山东科技大学学报, 2006, 25(1): 57-59. [4] Yingchun Hu, Yizhi Hu, Huixun Li, Junyan Hou. Research on Loading Simulation of Bolt Preload in Finite Element Analysis Based on ANSYS [J]. Advanced Materials Research, 2010, 156-157: 615-620. [5] Jeong Kim, Joo-Cheol Yoon, Beom-Soo Kang. Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints [J]. Applied Mathematical Modelling, 2007, 31: 895–911.
l l1 l2
(1)
l1
Fl EA
(2)Baidu Nhomakorabea
T =
l E
(3)
其中 l 为螺杆总伸长量， l1 为预紧力引起的伸长量， l2 为被紧固件压缩变形引起螺杆的伸 长量， T 为等效温降。其中 l2 的理论计算难以实现，考虑以预紧力单元法计算出的螺杆压 缩量来实现。 给螺栓温降 T ，由于螺栓的收缩受到被紧固件的限制，使得螺杆受拉、被紧固件受压。 通过这样的原理就能以温度降低来等效施加螺栓预紧力。 2.3 初始渗透法 通过 ANSYS 的接触分析的初始渗透（过盈配合）可以模拟螺栓的预紧力。具体做法是 接触分析时给定初始渗透为施加预紧力之后螺杆和被联接件的变形总和 l ，由于螺栓初始渗 透的影响， 螺杆会受到拉力， 被紧固件会受到压力， 即可模拟出螺栓的预紧力作用。 在 ANSYS 中初始渗透通过设定接触对的实常数 CNOF 来实现。