【Thread Designer软件介绍】基于精确有限元模型的螺栓连接结构仿真分析方法
按照模型精细化程度，VDI 2230 Part II将螺栓连接有限元模型分为四级：
一级模型只对部件进行建模，不考虑螺栓本体；
二级模型将螺栓考虑为线元，即作为拉伸构件、梁单元或弹簧单元；
三级模型将螺栓建模为等效实体模型，即不考虑螺纹的螺栓有限元模型；
四级模型为最高等级，表示详细建模的螺栓，需包含螺纹和所有接触面中的接触条件，并且精确表现螺栓的每个细节。
VDI 2230 Part II对四级模型的表述是：四级模型FEM的计算应力符合VDI 2230讨论的设计概念所需的公称应力定义，可用于确定公称载荷。并且，可通过相应的局部验证概念确定和评估螺纹每个位置的局部载荷。此外，最小螺纹配合长度也需要通过四级模型在考虑弹塑性材料特性的情况下获得。VDI 2230 Part II中对螺栓精确有限元模型的评价可总结为：一种更加精确的可以替代VDI 2230的螺栓连接设计与力学分析内容的方法。
因此，采用轮廓与实际高度一致的螺纹部件有限元模型模拟螺纹连接失效行为是提出针对性防松措施和提高可靠性的有效手段，该方法已经过了学术界15年的检验与认同，是顶级学术期刊中广泛采用的分析手段。
但是，螺纹模型的参数化精确建模方法仍属于紧固连接研究领域的前沿技术，螺纹网格无法人工划分，需要借助计算机程序实现。目前国内相关学术研究仍然集中于西南交通大学、西安交通大学、北京理工大学、大连理工大学等个别高等院校和研究机构，各机构算法严格保密，处于技术垄断阶段，并形成了多个“技术孤岛”。这也导致了学术研究成果迟迟无法落地，本应广泛应用于工程领域的实用先进技术多年来仅存在于顶级期刊论文中。
Thread Designer软件生成的模型完全符合VDI2230准则的四级模型要求。此外，软件中相当一部分特殊螺纹的精确模型为国际首创，尚未见公开文献发表。
Thread Designer螺纹类部件精确有限元建模软件的核心价值在于，协助技术人员快速全自动生成精确有限元网格，使得具备有限元计算基础的工程技术人员均可快速实现紧固连接结构的精确有限元仿真分析，对螺栓的拧紧、松动、疲劳、断裂等行为进行研究，极大地降低了螺栓连接结构仿真的技术门槛。将学术前沿研究成果真正应用于实际工程领域，为用户带来能力飞跃，为企业带来质量提升。
此外，我们对现有的常见螺栓连接结构仿真方法的可研究内容进行了汇总，结果如下：
实际上，目前大部分行业对螺栓连接的认识并不充足，在仿真中仅考虑梁单元模型或圆柱体模型，对螺栓的承载进行简单分析并根据标准选择，或直接仿制国外产品，不清楚螺栓选型原理。这在安全性和可靠性需求较高的场景是不可取的。
近年来，紧固连接精确有限元仿真分析在重型装备的设计校核可行性分析、失效机理与工程改进等方面发挥着重大作用。
软件简介
兼顾高质量、高精度、高效率，参数化生成高精度螺纹类部件有限元模型，显著提高螺纹连接数值分析的计算效率。同时，帮助具备有限元分析基础的工程技术人员进行螺纹连接的设计与校核，提升紧固连接设计的效率，降低设计成本，提高结构安全性与可靠性。
产品定位：协助仿真人员完成螺纹连接精确有限元仿真分析的有限元网格生成工具(有限元前处理工具)；
软件特色：超高自由度——可生成任意类型、尺寸、过渡、排布的精确螺纹轮廓网格。
正在添加的螺纹类型(可按用户需求添加新类型)
软件部分界面
应用案例
1. 螺纹区域应力分布状态分析
螺栓连接的应力分布与轴向载荷承载比例分布是螺栓有限元计算中最重要的结果之一。通过对该项参数的计算与评价，可以详细地分析螺栓在各种载荷工况下，不同螺纹圈次的受力状态，确定连接结构的薄弱点，寻找使承载比例更加均衡的方法，从而有针对性地进行连接结构优化。
不同加载形式下螺纹表面的等效应力分布
此外，通过对各圈螺纹牙的摩擦耗散能、接触状态、应力分布与承载比例、预紧力分析的综合讨论，可以对实际服役工况下失效的螺栓进行失效分析，定位失效因素，确定薄弱部位，从而有针对性地提出改进措施。
视频：带垫片的螺栓连接结构拧紧过程（仿真难点在于前期垫片与接触面为线接触，收敛难度较大）
2. 普通双螺母连接结构的拧紧过程仿真分析
双螺母包含两个螺母，安装时在螺栓上先后拧紧两个螺母，下螺母被称为承力螺母，上螺母被称为锁紧螺母。拧紧策略显著影响双螺母的防松性能。双螺母只有正确拧紧，才能实现优异的防松性能。换言之，如果双螺母拧紧不当，将大大降低防松能力。
双螺母连接结构拧紧过程的应力分布云图
双螺母连接结构的拧紧与松动行为
3. 各类新型防松产品的精确有限元仿真建模与分析
优化螺纹几何形状或者增加螺栓的旋线数量，是结构防松的主要关注点。DTB(Double Thread Bolt)、SLB(Step Lock Bolt)、唐氏螺纹连接均是通过调整几何形状或增加旋线来提高防松效果的。有限元分析结果表明，DTB螺纹与唐氏螺纹增加旋线牺牲了螺纹的承载能力，而SLB螺纹牺牲了旋合性。
唐氏螺纹拧紧过程应力分布云图
垫圈在一般机械产品的承力和非承力结构中应用广泛。优点：强振动下仍然保持夹紧力，优于依靠摩擦力自锁的紧固件；一定程度防止因振动引起的螺栓松动；不需要特殊安装工作，易安装拆卸；温度有小范围变化也不会使连接件松动等。传统弹性垫圈在较高拧紧力矩下几乎无法起到防松作用，各种新型防松垫圈应运而生。
几种防松垫圈的有限元模型
防松螺母除常见的普通双螺母与HardLock双螺母外，还有一些较为少见的类型，例如变径螺母，端面倾斜螺母、开口螺母等。分析结果表明，变径螺母会改善应力分布情况，减少螺纹牙底应力集中。HardLock双螺母的偏心结构可能会带来螺纹损伤问题。
几种防松螺母的有限元模型
4. 环槽铆钉的铆接过程仿真分析
基于软件的延伸服务
紧固连接系统整体结构设计
☆ 润滑与表面粗糙度选择
紧固连接结构校核与优化
螺纹连接精确有限元建模与仿真分析
新型螺纹轮廓设计及仿真分析
各类连接结构激励试验、可靠性验证及失效分析
螺栓连接拧紧策略优化
教学培训与技术指导
公 司 简 介
昊宇睿联(天津)科技有限公司致力于提供基于服役性能评价与反馈的螺栓连接技术解决方案。公司依托于西南交通大学材料科学与工程学院、轨道交通运载系统全国重点实验室、材料先进技术教育部重点实验室等高水平学术平台，多年来围绕高端制造(航空航天、轨道交通、能源等)领域的关键部位紧固连接松动、断裂等失效行为，开展失效分析、数值模拟、优化设计、服役评价和计量检测等研究，形成了系统深入的理论和技术积累。公司持续追踪紧固连接前沿科技，提供从紧固件产品设计、紧固连接系统设计、检测技术、安装技术、运维技术到服役评价的紧固连接技术一体化服务和整体解决方案，全面具备紧固连接正向设计、试验检测、失效分析、精确有限元模拟、表面处理与润滑等能力。
螺栓连接技术解决方案
昊宇睿联技术服务大纲
