螺栓连接中预紧力的有限元分析
patran螺栓预紧力的参考点
文章主题：patran螺栓预紧力的参考点在机械设计和工程中，螺栓预紧力是一个至关重要的参数。
它决定了螺栓的紧固效果和工作性能，直接关系到机械设备的安全和可靠性。
而patran螺栓预紧力作为一个常用的预紧力工具，在工程领域中应用广泛。
1. patran螺栓预紧力的概念与原理patran螺栓预紧力是一种通过计算机辅助设计软件来模拟和计算螺栓预紧力的方法。
其原理是利用有限元分析方法，对螺栓和螺母的连接进行模拟，通过施加预紧加载，得出螺栓的预紧力大小。
这种方法可以直观地呈现出螺栓连接的受力状态，对于工程师来说非常直观和便捷。
2. patran螺栓预紧力的应用领域在实际的工程设计中，patran螺栓预紧力可广泛应用于各种机械设备、车辆和建筑工程中。
汽车发动机的螺栓连接、高铁轨道的螺栓紧固、建筑结构的螺栓连接等。
通过对螺栓预紧力的计算和分析，可以有效地提高设备的安全性和可靠性，减少故障的发生。
3. patran螺栓预紧力的计算方法通常，计算patran螺栓预紧力需要考虑一系列因素，包括螺栓的材料、螺纹形状、预紧加载力的施加方式等。
在实际工程中，可以通过调整这些参数，来优化螺栓的预紧效果。
并且，通过有限元分析软件的模拟，可以得到更加准确和可靠的预紧力数值。
4. 个人观点和理解从个人的角度来看，patran螺栓预紧力的应用对于机械工程设计和制造来说无疑是一项十分重要的技术。
它不仅可以提高产品的质量和性能，也能够减少因螺栓脱落或故障而造成的安全事故。
在未来，我相信随着计算机辅助设计技术的不断发展，patran螺栓预紧力的应用将会更加普及和成熟。
总结回顾通过本文的讨论，我们对patran螺栓预紧力有了更加深入和全面的了解。
我们从概念与原理、应用领域、计算方法及个人观点等方面进行了探讨，以期帮助读者更加深入地理解和应用这一技术。
patran螺栓预紧力的参考点是机械工程设计和制造中的一个重要技术，它为我们提供了一种模拟和计算螺栓预紧力的便捷方法，对于提高产品性能和安全性具有重要意义。
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究为简化传统力学对螺栓进行强度校核的计算过程，提高计算结果的直观性，采用了一种螺栓的有限元ANSYS的简化模拟分析，为了验证有限元简化模拟分析的准确性，利用传统力学的解析法对螺栓的强度进行校核，结果发现，此螺栓的有限元简化模型的模拟仿真结果与理论计算结果保持一致，说明对于螺栓强度的校核，此简化方法是有效的，对于工程应用具有重要的借鉴意义。
标签：螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真0 引言螺栓连接具有结构简单，调整简便，可反复拆卸等优点，是目前最为常用的工程结构的连接方式。
但是在复杂的工程应用过程中，由于交变载荷的作用，在振动、冲击等干扰因素作用下，往往对螺栓产生严重的破坏，螺栓的强度将直接关系到设备的正常使用及使用的安全性[1]。
与运用经典的理论力学相关知识对螺栓的强度进行校核相比，主要借助于理论分析，通过经验公式等进行校核计算，在计算过程中，对螺栓的整体受力情况及受力位置等考虑并不全面，此外，并不能完全的显示各个位置的受力状况，不能很好地用于指导实践。
通过有限元分析软件，可以轻松的分析整个螺栓的受力状况，计算结果更加直观地展现，而且计算工作量大大降低，因此，有限元软件越来越多的被应用到螺栓的校核中[2-4]。
1 螺栓连接的失效机理分析螺栓连接所受的载荷包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等，其受载形式主要为轴向力与横向力。
在轴向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范围，螺栓杆将会产生塑性变形甚至将断裂；在横向力的作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或者螺栓杆被剪断等。
本研究主要对螺栓的强度进行分析，对于受拉力载荷的连接螺栓来说，发生破坏的位置主要在于螺纹的小径位置，对于这种螺纹连接，其主要的设计准则为保证螺栓具有足够的静力强度。
螺栓连接中，最为常见的受理方式为预紧力与工作拉力同时存在的情况，螺栓在轴向拉力作用下，螺栓跟连接件都会产生弹性变形，因此，螺栓所受到的总拉力并不是预紧力跟工作拉力之和。
optistruct螺栓预紧力响应谱
OptiStruct是一款高级有限元分析软件，可以用于进行预应力响应谱分析。
在OptiStruct中，进行螺栓预紧力响应谱分析的步骤如下：
1.定义结构模型：首先，需要导入或创建结构模型，并定义结构的几何形状、
材料性质、截面属性等。
2.定义地震输入：接下来，需要输入地震加速度波形。
这可以选择已有的地
震记录或自定义地震波。
3.定义预应力：在定义了结构和地震输入后，需要选择适当的预应力选项进
行预应力分析。
以上步骤完成后，即可对模型进行求解并分析结果。
在分析过程中，可以通过提取相应的模态和频率信息等，评估结构的地震响应并优化设计。
请注意，以上信息仅供参考，具体操作请参考OptiStruct软件用户手册或专业教程。
螺栓结合面的建模方法及模态分析
螺栓结合面的建模方法及模态分析摘要：根据对结合面的处理方法的不同，采用了有限元分析软件ANSYS建立了不同的螺栓结合面的有限元模型。
在不同的螺栓预紧力情况下，对各个模型的进行了模态分析，得到了固有频率。
通过分析数据结果，总结了不同的结合面建模方式对系统的模态分析的影响。
关键词：螺栓结合面；模态分析；固有频率；预紧力引言机械结构中零件、组件和部件相互接触的表面称为结合面，它在机械结构中大量地存在，使机械结构或系统不再是一个连续的整体。
根据运动方式分类，结合面分可以分为为三类。
第一类固定结合面，如螺纹联接面、铆钉联接面、销联接面和焊接联接面等；第二类是半固定结合面，如摩擦离合器的联接面[1]；第三类是运动结合面，如齿轮和链轮的啮合面、丝杠螺母的联接面、轴承联接面和导轨联接面等。
本文研究的螺栓结合面是属于固定结合面，主要起联接固定的作用。
在机械结构中，螺栓结合面是应用广泛的一种连接方式，影响着整个系统的静态特性和动态特性，因此螺栓结合面的分析研究具有十分重要的意义。
随着电子计算机的迅速发展，有限元分析法的应用越来越普遍。
它是一种有效的数值分析方法，首先应用于连续体力学领域，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题[2]。
ANSYS是有限元分析领域的大型通用软件之一，提供了用来模拟各种结构和材料的单元类型、多种有限元分析功能模块。
它不但能用于对结构、热、磁场、流体等单独研究，还能用于热-结构耦合和、流体-结构耦合等。
本文主要用ANSYS对螺栓结合面结构进行动力学分析的模态分析，应用计算结构的固有频率。
1.模态分析的原理动力学分析类型包括瞬态动力学、谐响应分析、模态分析和谱分析。
其中，模态分析是其它动力学分析的基础，用于确定结构的固有频率和振型，能使设计的结构避免共振。
模态分析的求解是针对下面的运动方程：上式的矩阵特征值即为系统的固有频率，系统的模态分析就是求解矩阵特征值和特征向量的问题。
大型活动发射平台螺栓联接预紧力分析
５９ｋ ３ Ｎ，５ ８ Ｎ 和 ７ ２５ｋ ８ ｋ ６． Ｎ，计 算 其对应 的等 效温差
（ 见表 １ 。 ）
表 １ 预 紧力对应 的等效温差
预紧 力／ ｋ Ｎ １ ７８ ｌ ６ ２ ４ ３ ２ ５． ９ ９ ９ ４０ ９ ５９ ３ ５８ ８ ７ ２５ ６
ｐｅｔ ｈｅｉｇ ｆｒｅ ｆｂ ｌ ｕ ｐｉｓ ｔｅ ｒｆｒｎｅ ｏ ｏｔ ｏｎ ｉ ｌ ｅ ａｃ ｌ ｉｎ ｆｒ ｃ ｍｐｅ ｔ ｃｕｅ ｏ ｆ ｍｓ ｒ— ｇ ｔｎｎ ｏｃ ｏ ｏｔ ｓｐ ｌ ｈ ｅｅｅ ｃ ｆｂ ｌｊｉｔ ｓ ｉ ｓ ｅ － ｍｐｉ ｄ ｃ ｌ ａ ｏ ｏ ｌ ｓ ｕ ｔｒ，ｃｎ ｒ ｉ ｆ ｕｔ ｏ ｘ ｒ ｉ
）Ｏ ＋
பைடு நூலகம்（） １
Ｌ ｍ 十 乙 ｂ
式 中 Ｑ 为 螺栓 的预紧 力 ； 为螺栓 的 工作载荷 ；Ｑ ０ ｒ
收 稿 日期 ：２ １．９０；修 回 日期 ：２ １－５２ ０００ ．４ ０ １０．６
作 者 简介 ：李 金梅 （ ９６） １ ７一，女 ，工程师 ，主要 从事热 发射 技术 及活 动发 射平 台结 构分析 研 究
ｐ ｅ ｔｇ ｔ ｎ ｎ ｏ ｃ ｆ ｏ ｔ ｒｔ ｅ ｌ ｒ ｅ ｍｏ ｉｅｌ ｕ ｃ ｉ ｇ ｐ ａ ｆ ｒ ｓ ｒ —ｉ ｈ ｅ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ｏ ｌｓｆ ｇ ｂ ｌ ａ ｎ ｈ ｎ ｌ ｔｏ ｍ ． ｂ ｏ ｈ ａ Ｋｅ ｏ ｄ ： ｏ ｉ ａ ｎ ｈ ｎ ａ ｆ ｒ ； ｌ ｐ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ Ｆ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓ ｙ Ｗ ｒ ｓ Ｍ ｂ ｌ ｌｕ ｃ ｉ ｇｐｌｔｏ ｍｓ Ｂｏ ｔ ｒ －ｉ ｔｎ ｎ ｏ ｃ ； ｉ ｉ ｅ ｅ ｎ ａｙ ｉ ｅ ｇ ｅ ａ
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。
螺栓联接的预紧力与疲劳强度的讨论
螺栓联接的预紧力与疲劳强度的讨论轴向拉力作用下螺栓联接的失效多数为疲劳失效。
统计表明百分之九十以上螺栓失效都与应力集中作用产生的疲劳失效有关。
由于螺栓联接是一个多接触面的弹塑性接触问题，在重复加载作用下的应力应变关系十分复杂，并且影响疲劳强度的参素众多，因此，直接通过对螺纹的应力应变分析来计算螺栓联接的疲劳强度的实用意义不大。
通常的做法是先计算出外力与预紧力作用下螺栓中的平均应力与变化应力，然后对应力集中，尺寸效应等影响疲劳强度的参数进行综合考虑，再应用古德曼法则来计算螺栓联接的疲劳强度。
一般情况下联接件的有效刚度远大于螺栓刚度。
螺栓预紧力的存在，除了使零件之间产生紧密联接，增强联接的刚性之外，还会大幅度降低在拉伸载荷作用下螺杆应力的变化幅度，由此提高了螺栓联接的疲劳强度。
如果预紧力不够大，拉伸载荷有可能超过螺栓联接的预紧力，造成联接件分离，这会使螺栓联接的刚度大幅下降，同时也使应力变化幅度大幅增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。
增大螺栓联接的预紧力，不但能降低联接件在载荷作用下产生分离的风险，还能提高螺栓联接的防松能力，防止预紧力在重复外力作用下变小。
以下分析从疲劳强度计算的角度来讨论螺栓联接预紧力对螺栓联接疲劳强度安全系数的影响。
1/ 71 螺栓联接疲劳强度安全系数计算螺栓联接的疲劳强度可通过古德曼准则作近似计算。
在周期循环应力作用下，根据古德曼准则，金属零件的持久极限疲劳强度曲线可由下式决定：其中，Sa，Sm为古德曼持久极限疲劳强度线上任一点上对应的交变应力与平均应力，Su为材料的抗拉强度，Se为零件的综合疲劳极限强度。
零件的持久极限疲劳强度安全系数的计算与应力的加载路径有关。
对比例加载，零件持久极限疲劳强度设计的安全系数可用持久极限疲劳强度曲线上的应力幅度Sa与实际应力幅度σa 的比值来定义。
在外力作用为零时，螺栓联接中存在一个预紧力Fi作用。
预紧力在螺杆中产生的平均预应力可通过σi = Fi / At计算，其中Fi 为螺栓联接的预紧力，At为螺杆的有效受力面积。
螺栓预紧力应用
螺栓预紧力的应用
我们经常会遇到通过螺栓连接的零件需要进行强度和安全可靠
性分析的情况。
如果螺栓本身的强度考察是次要的，主要关注点在于通过它连接的那些零件上，那可以在分析过程中对螺栓进行简化，如果要考虑螺栓拧紧过程中的预紧力，需要在仿真时加上“螺栓预紧力”，以符合实际情况。
螺栓连接单元如图1所示。
图1
其中：
中间的绿色显示的Beam单元（显示为BM）用来模拟螺栓的轴。
上下两端的1D RBE2单元（显示为RL）将Beam单元与周围的网格连接起来。
中间红色显示的是螺栓预紧力。
实际操作的时候，可用CBAR或者CBEAM类型的单元模拟螺栓轴，用RBE2或者RBE2（比RBE2有柔性）进行1D网格连接。
预紧力参与解算的公式如下：
（u2-u1)/L=P/AE
式中：u1和u2为Beam单元两端节点的位移。
L为螺栓的初始长度。
P为定义的预紧力。
A为螺栓轴的截面积。
E为螺栓材料的弹性模量。
以具体模型为例，查看螺栓预紧力在分析中的影响。
有限元模型如图2所示，底面固定，上下两部分定义接触，中间孔部分定义螺栓连接，给定螺栓预紧力。
图2
结果如图3所示（变形放大），能够看到模型在螺栓预紧力的作用下弯曲变形。
图3。
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；
150柴油机气缸盖连接螺栓预紧力施加的有限元及试验分析
析结果的精确度及可信度 ，尤其对于大功率柴 油机 来 说 更 是 如 此 。 针 对 此 现 象 ，本 文 结 合 某 ６ ５ Ｖ１０ 型 柴 油 机 改 进 设 计 的 数 值 计 算 过 程 ， 采 用 Ｃ Ｄ Ｃ Ｅ软 件 ＩＤ Ａ Ａ ／Ａ － Ｅ Ｓ建 立 了 机 体 及 相 关 零 件 的
关键 词 ：发动 机 螺栓 有 限元 方法 试验
Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｎ ｉ ｉｅＥｌｍｅ ｔ ａｙ ｉ ｆ ｅ Ｔｉｈ ｅ ｉ ｇＦ ｒ ｅｏ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｄ Ｆ ｎｔ ｅ ｎ ａ Ａｎ ｌｓｓｏ — ｇ ｔｎ ｎ ｏ ｃ ｎ Ｐｒ Ｃｙ ｉ ｄ ｒＨｅ ｄ Ｂｏｔｏ ０ Ｓ ｒｅ ｅ ｅ ｇｎ ｌｎ ｅ ａ ｌ ｆ１ ｅ ｉｓＤｉｓ ｌ ５ Ｅｎ ｉ ｅ
１０柴油机气缸 盖连接螺栓 预紧力 ５ 施加 的有 限元及试 验分 析
问来彦 １ 。 李 坤 ， ２ （ ． 西省特 种设备 监督检 验 所 ， ． １山 ２ 中北 大学 山西 太原 ０ ０ ５ ） ３ ０ １
摘要 对发动机机体进行结构强度的有限元分析的时，发动机 气缸盖连接螺栓预 紧力的施加 方式及施加位置对有限元分析结果的精确度往往具有重要 的影响。文章结合某 １０ ５ 柴油机进行性 能强化数值模拟计算 ，对该柴油机气缸盖连接 螺栓预 紧力采 用不同位置施加 ，并用实验结果验证 对 比 了各 方案 ，得 到 了合理 的 方案 ，为螺栓 预 紧力的模 拟施加 提供 了可借鉴 的 帮助 。
柴油机设 计 与制 造
Ｄｅｇ Ｍａｕａｔｒ ｆ ｅｅＥ ｇ ｅ ｓ ｎ＆ ｉ ｎｆ ｕｅ ｓｌ ｎｉ ｃ ｏ Ｄｉ ｎ
ｄｉ１ ． ６ ６ｉ ｎ１７ － ６ ４２ １．１ ０ ｏ ０３ ９ ．ｓ．６ １ ０ １． １ ． ３ ： ９ ｓ ０ ００
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。
ANSYS Workbench中一种螺栓预紧力施加方法
ANSYS Workbench中一种螺栓预紧力施加方法
螺栓预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性,以防止受载后被联接件间出现缝隙或相对滑移。
对于有螺栓联接的机械结构有限元分析,如何将其施加于模型上,较好地模拟螺栓受力情况达到在有限元分析中的准确加载并得到正确的分析结果,有一定难度。
本文介绍在ANSYS Workbench中施加螺栓预紧力的一种方法。
1. 分析对象
分析对象为法兰1/12模型，上下两个法兰由螺栓预紧，中间垫有垫片，几何模型如图1所示。
图1 1/12法兰模型
2.创建局部坐标系
在螺栓杆上创建局部坐标系，并将Z轴方向调整至与螺栓杆轴向一致，便于后续预紧力的施加，创建完成的局部坐标系见图2。
图2 创建局部坐标系
3.接触设置
法兰与垫片之间采用粗糙“Rough”接触方式，如图3所示，其他接触对采用绑定“Bonded”接触方式。
图3 粗糙“Rough”接触方式
4.网格划分
螺栓头、螺栓杆和螺母采用拓扑共享，螺栓与法兰接触区域采取局部控制，网格划分结果如图4所示。
图4 网格划分结果
5.螺栓预紧力施加
上下法兰受螺栓预紧力，法兰内侧面受5MPa压强，上法兰上端面受1000N拉力。
载荷的施加分三个载荷步，第一个载荷步施加4000N的螺栓预紧力，第二和第三载荷步设置为“LOCK”状态，其他两个外载荷均在第三个载荷步施加。
螺栓预紧力施加方法如图5所示。
图5 螺栓预紧力施加
6.法兰与垫片接触结果
（a）接触状态（b）接触压力
（c）接触间隙（d）接触渗透
图6 法兰与垫片接触结果。
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。
ABAQUS中螺栓预紧力的简化施加方法
ABAQUS中螺栓预紧力的简化施加方法摘要：基于ABAQUS有限元软件，分别采用螺栓单元和转换器单元对两块钢板施加相同大小的预紧力进行数值模拟，分析结果表明，存在螺栓单元模型的钢板侧向发生0.2199mm的位移，而不存在螺栓单元模型的钢板侧向发生0.2264mm 的位移，误差为2.96%。
关键词：数值模拟；螺栓单元；转换器单元1 概述近年来，在国家相应政策的推动下，大力发展装配式建筑，实现建筑产业化和工业化成为了建筑业发展的新趋势。
在装配式结构中，预制构件间的连接节点是装配式结构中的关键部分，其性能对于体系整体的抗震性能有着显著的影响，常用的节点连接分为湿式连接和干式连接两种形式。
湿式连接，主要指在构件预制时边缘预留钢筋，并在构件装配时将预留的钢筋绑扎或搭接，然后将预留部位进行混凝土后浇，形成完整的受力节点，达到等同现浇的性能。
目前最常用的形式主要有套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、后浇带连接。
然而湿式连接具有施工难度大、浇筑难以密实、质量不可控、对环境污染严重等缺点。
相较于湿式连接，干式连接具有建造速度快、施工质量高和对环境友好等优点。
干式连接包含焊接连接和螺栓连接两种形式，焊接避免了构件装配时混凝土的浇筑，建筑垃圾少，但也存在焊缝质量难以控制、节点延性差等缺点。
螺栓连接具有操作简单、工艺简单和质量可控等优点，绿色环保、工业化程度高，同时节点刚度易于控制、延性较高和耗能优异等优点。
但在有限元软件中，螺栓的建立较为复杂，同时会导致计算时间的增加和收敛性的变差。
故在有限元分析中，若螺栓并非主要研究对象，而仅用于施加预紧力，可将其进行简化，从而提高计算的效率。
2 有限元分析本文采用非线性有限元软件ABAQUS进行建模分析。
分别建立了存在螺栓单元（M1）和不存在螺栓单元（M2）的两种模型。
对于存在螺栓单元的模型，一共有四个实体单元，分别为L型带孔上钢板、矩形带孔下钢板、螺栓和螺母；对于不存在螺栓单元的模型，仅有上侧钢板、下侧钢板两个实体单元和转换器单元，具体参数如表1所示。
带预紧力的螺栓连接有限元分析
（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
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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。
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。
基于ANSYS Workbench有螺栓预紧力的冲压法兰的有限元模态分析
３ 冲压 法兰有 限元模态 分析 ３．１ 模 态 分 析 简 介
模 态 是 机 械 结 构 的 固 有 振 动 特 性 ，每 一 个 具 有 特 定 的 固 有 频 率 、阻 尼 比 和 模 态 振 型 。这 些
参 数 可 以 由 计 算 或 试 验 分 析 取 得 ，这 样 一 个 计 算 或 面 可 以 有 小 的 无 摩 擦 滑 动 ；③ Ｆｒｉｃｔｉｏｎｌｅｓｓ（无 摩 擦 ）
Hale Waihona Puke 最 常 用 的 可 拆 卸 连 接 形 式 。 管 道 法 兰 （简 称 管 法 兰 ） 由 凹 陷 、凸起 和 最 外 围 的 翻 边 组 合 而 成 。翻 边 短 节 也
是 管 道 系 统 中 应 用 最 广 的 一 种 可 拆 连 接 接 头 ， 同 时 是 由板 材 直 接 冲 压 成 形 ，平 面 为 法 兰 密 封 面 ，短 圆柱
又 是 一 种 承 受 压 力 的 密 封 元 件 。 冲 压 松 套 钢 制 管 法 部 分 用 于 与 管 道 进 行 平 焊 连 接 。
兰 （简 称 冲 压 法 兰 ）是 一 种 新 型 的 非 标 管 法 兰 ，具 有
结 构 独 特 、加 工 工 艺 简 单 、材 料 消 耗 小 等 显 著 特 点 。
面 与 翻 边 短 节 的 另 一
图 ２ 冲压 法 兰 安 装 图
面 紧 密 接 触 ，最 后 栓 拧 紧 ，从 而 实 现
道 之 间 的 连 接 。 图 ２为 冲 压 法 兰 安 装 示 意 图 。
２ 冲 压 法 兰 结 构 和 安 装
收稿 日期 ：２０１１－ｌ１—１７ 作者简介 ：闵加 丰（１９８８一），男，硕 士在读 ，主攻机械 设计及理论研 究
lsdyna螺栓预紧力施加原理
lsdyna螺栓预紧力施加原理
LS-DYNA是一款强大的有限元分析软件，可以模拟复杂的力学行为。
在LS-DYNA中施加螺栓预紧力，需要理解其原理和方法。
首先，要明白螺栓建模的基本原理。
螺栓建模主要分为实体螺栓、梁单元螺栓和刚性螺栓（RBE2）三种方式。
实体螺栓用于观察螺栓的变形行为和断裂等，可以精细化建模。
梁单元螺栓适用于不关注螺栓的具体变形模型，但需要考虑其变形对连接的影响的情况。
而刚性螺栓适用于螺栓在分析中不会失效的情况。
其次，施加预紧力主要涉及两种方法。
对于实体单元，可以通过在其上施加相应的预紧力来实现。
而对于梁单元，可以通过在梁单元上施加预紧力来实现。
以上信息仅供参考，建议查阅有限元分析相关书籍或咨询专业人士获取更准确的信息。
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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<sup>[1]</sup>。
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。
<sup>[2]</sup>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<sup>[2]</sup>：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。
ANSYS软件是功能强大而灵活的有限元软件，广泛应用于机械制造、土木工程、电子等行业。
提供的分析类型包括结构分析、热分析、电磁场分析和流体动力学分析。
2预紧力模拟方法
有限元分析计算中，螺栓连接结构的简化从整体结构出发，虽然减少了计算规模，但是螺栓的预紧力不能准确模拟，对整体分析结果有较大影响。
本文介绍了两种方法来模拟预紧力。
2.1预紧力单元法
预紧力作用于螺栓连接结构时，由于螺栓处于拉伸状态，被连接件处于压缩状态，因此很难模拟螺栓连接结构的真实受力。
在ANSYS 软件中，直接在被连接件与螺栓头和螺母的接触面上施加压力，然后在螺栓连接结构的连接处创建一个预拉伸截面，产生预紧力单元，然后在预紧力单元上直接加载预紧力。
2.2温度收缩法
当螺栓温度发生变化时，螺栓和被连接件都会产生自由伸缩量，这时会产生相应的力来阻止结构自由伸缩。
温度收缩法的基本思想就是把初始预紧力的大小换算成相应的温度变化，初始温度设为0，然后将温度载荷加载到螺杆上。
用温度收缩法模拟预紧力时，只需要一个载荷步，把预紧力换算成温度载荷施加到螺栓光杆部分，螺栓在热载荷作用下发生收缩变形来模拟螺栓的预紧作用。
利用实际螺栓尺寸和材料特性，按照上式计算出预紧力的等效温差，将温度施加到螺栓体单元的节点上，就可以模拟预紧力。
3有限元模型建立
3.1螺栓连接模型
本文的螺栓连接模型是由螺栓、螺母和两块被连接件组成的，螺母和螺栓为一体，忽略螺杆的螺纹，如图1所示。
为了得到更准确的有限元模型，在连接件和被连接件、连接件与螺栓、被连接件与螺栓之间创建接触对。
为了保证被连接件相对刚度不发生变化，进行了自
由度耦合。
本文从较高级的实体图元开始创建模型，采用自顶向下方法及布尔运算命令一起使用，实体模型由关键点、线、面和体构成。
3.2单元与材料属性
在ANSYS中建立单元前，必须选择合适的单元型号、单元材料特性和单元几何特性。
螺栓连接结构是空间实体，选用三维实体单元Solid186进行建模，Solid186是高阶六面体单元，能提供更多的非线性材料模型，并在大应变问题中使用一致切线刚度。
刚性面和柔性面分别采用Target170单元和Contact174单元来模拟，采用映射网格划分螺栓连接结构的几何模型。
映射网格划分适合于规则的体和面，其优点在于可以将几何模型分解，选择合适的网格控制和单元属性，生成的单元形状具有规则性。
映射网格模型通过网格划分得到有限元模型如图2所示。
查手册可知钢材料的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。
用温度收缩法模拟预紧力时，需要在材料中设置热膨胀系数，查得该材料的热膨胀系数为1.16×10-5。
3.3载荷
螺栓上创建预紧截面，在预紧面上施加预紧力，分为两个载荷步。
第一个载荷步应用预紧力，从第二个载荷步开始锁定预紧力产生的位移。
在划分好单元的螺栓上采用预紧单元PRETS179来定义预紧截面，PTSMESH命令施加预紧力，温度载荷均匀地施加到螺栓体单元的节点上。
4计算结果分析
4.1预紧力单元法分析
在预紧面上施加预紧力，并施加工作载荷，螺栓连接结构的变形和应力如图3和图4所示。
在ANSYS中采用后处理/POST1功能，工作拉力为5kN且预紧力为4kN时，残余预紧力为1 080.2N。
工作拉力为5kN且预紧力为1kN时，残余预紧力为4 020.1N。
4.2温度收缩法分析
有限元模型与预紧力单元法的模型一样，将模型的初始温度设置为0，将预紧力的等效温度载荷施加到螺栓上。
螺栓连接结构的变形和应力如图5和图6所示。
5结语
本文介绍了有限元模型中预紧力的两种施加方法，即预紧力单元法和温度收缩法，采用预紧力单元法时，由于预紧力是直接加载的，所以不受划分单元数目的影响，能准确地模拟出螺栓预紧力。
温度收缩法的优点在于模拟螺栓预紧力时，不会受螺栓组的分布情况的影响，适用于所有螺栓连接结构。
采用两种方法分析相同条件下的预紧力，并采用理论分析进行验证，为复杂结构中螺栓连接的简化计算提供了参考依据。
参考文献：
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2]张波，盛和太.ANSYS有限元数值分析原理与工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3]叶红，颜廷武，刘元胜.法兰连接中的螺栓预紧力[J].有色矿冶，2005，21（3）：4648.
[4]白金泽，孙秦，郭英男.应用ANSYS进行复杂结构应力分析[J].机械科学与技术，2003（3）：441446.。