螺栓预紧分析

ANSYS教学算例集

螺栓预紧分析

撰写：孟志华

审核：

校对：

2018年09月30日

关键字：螺栓预紧力、接触、线体

算例来源：Mechanical_Advanced_Connections教程案例

目录

1. 摘要

本算例主要介绍了螺栓的模拟，模型由螺栓、法兰、垫片组成，螺栓的模拟又分为实体与线体螺栓，并比较了两种分析模型的结果。还介绍了螺栓预紧力的施加需要分成三个载荷步，以方便查看螺栓预紧力结果，并对垫片与法兰之间的绑定接触与粗糙接触进行了结果对比，非线性结果更符合实际情况。

本例针对螺栓的模拟具有借鉴和指导作用。

2. 案例描述

本案例几何包含：螺栓、法兰、垫片。

如上图，两个法兰通过螺栓连接在一起，螺栓与法兰之间建立接触，垫片独立划分网格，并与两端法兰分别接触。本案例将分别计算3D螺栓体与线体简化螺栓两种螺栓仿真方式，并进行结果对比。

所有零件的材料均为ANSYS材料库中默认提供的钢材料，弹性模量为 2.1×10e5 MPa，泊松比为0.3，密度是7.85×10 e-9 t/mm 3。

该分析分为三个载荷步，边界条件：侧面与底面为无摩擦支撑，第三个载荷步中，上端受力1048lbf，来模拟端盖负载；内壁受压力1000psi。

3. 操作步骤

3.1. 启动ANSYS Workbench，打开已有的分析文件

（1）首先启动ANSYS Workbench环境。在【File】下拉菜单点击Restore Archive，打开分析文件压缩包“WS3a-bolt.wbpz”，然后保存为“WS3a-bolt.wbpj”文件。

（2）打开该文件后，Workbench环境的起始界面，包含了两个静力分析的流程，一个3D多体螺栓分析，一个线体螺栓分析，如下图。

3.2. 启动分析流程，进入Mechanical界面查看设置

（1）确定目前处于Workbench的起始界面【Project】，即“主页”。

（2）修改单位制为U.S.Customary。

（3）该文件中已经定义好几何材料，可双击Engineering Data模块，查看材料定义。（4）打开ANSYS Mechanical模块：找到第一个项目流程【Project Schematic】窗口下的A项目（3D实体螺栓分析过程），双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYS Mechanical模块的界面。

（5）打开目录树，熟悉设置：垫片网格为扫略，法兰及螺栓为高阶四面体单元。

（6）查看接触对：垫片对上下法兰，螺栓对上下法兰，接触设置保持默认；螺杆上没有定义接触。

（7）查看边界条件：侧面无摩擦支撑代表对称，下端面无摩擦支撑用来约束Y向自由度，第三个载荷步中施加压力和力，在法兰的2个内表面，添加了一个压力载荷；上法兰顶面添加了一个力，来模拟端盖负载。

3.3. 定义螺栓预紧力并求解

（1）插入螺栓预紧力：点击Static Structural（A5），右键，插入螺栓预紧力

（2）选择bolt shank 作为试加螺栓预紧力的几何；通过表格定义螺栓预紧：载荷步1的“Define By”为“Load “载荷大小为1500 lbf，在载荷步2和3中，设置“Define by”to “Lock”。

（3）点击分析设置，打开大变形；

注意：载荷步1运用螺栓预紧力；载荷步2锁止螺栓预紧力；载荷步3运用额外的压力和力。

（4）点击Solve求解，由于是线性材料和绑定接触，很快收敛；

3.4. 结果查看

（1）点击“Solution Information”，明细中，设置“Visible on Results”to “Yes”

（2）点击Solution，右键，插入Probe-bolt Pretension。

（3）更新结果，查看螺栓预紧力结果。

注：step1只是试加预紧力，但是实际没有预紧力产生，只是去施加这个预紧载荷；step2预紧力才开始从0增加到1500；step3则保持，这就是为啥需要3个载荷步去定义螺栓预紧力。

（4）查看其它结果。

（5）插入接触工具，查看垫片和上法兰的绑定接触，查看状态、渗透、压力、间隙。

更新结果。

（6）垫片和上法兰状态为粘连，正是我们期望的；接触压力：正压表示垫片压缩，负压表示垫圈拉伸。

3.5. 修改垫片与上法兰的接触类型，求解并查看结果

（1）回到接触, 点击垫片和上法兰的绑定接触：明细窗口中，改变接触类型为粗糙；

这将导致非线性接触行为，允许这些表面无阻力分开；而滑动仍然受到限制。

（2）点击Solve求解，比绑定接触需要稍微多的迭代步；

（3）再次后处理查看螺栓预紧力；step2依然为1500；step3降低到1046（原先为1438.9）。

（4）查看接触结果：状态为Near，接触压力为0，说明，最初定义的螺栓预紧力1500是不足以压紧下法兰。

（5）查看其它结果。

3.6. 修改螺栓预紧力，再次求解，查看结果。（1）将螺栓预紧力修改为10000lbf。

（2）点击Static Structural –右键Clear Generated Data ；求解。

（3）后处理；查看接触状态与压力。

（4）查看变形与应力，发现应力很高，垫片很可能屈服了。

3.7. 线体简化螺栓计算

（1）返回Project页，双击B4，打开线体螺栓分析流程的Mechanical界面。

（2）修改单位制如下。

（3）3D实体螺栓被抑制了，使用一个线体去替代它；螺栓对法兰的接触对也被对应的删除了。

（4）插入2个fix joint去连接线体与上下法兰外表面；选择线体顶点，法兰顶面/底面；定义pinball半径为0.40 in。