【APDL Showcase研读分享】螺栓螺纹咬合分析（螺纹截面法）

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了螺栓螺纹建模技术，包括详细螺纹建模、螺纹截面法（简化建模）和MPC方法。详细建模最准确但计算成本高，螺纹截面法通过分配螺纹截面简化建模，计算成本低且精度接近真实模型，MPC方法计算最快但可能丢失螺纹细节。通过模拟M120螺栓与盖板、底板连接，展示了三种方法的应力分布，结果显示螺纹截面法在保证精度的同时降低了计算成本。

 本showcase演示了一种通过螺栓截面法模拟螺栓螺纹的简化建模技术——螺栓螺纹建模技术（螺纹截面法）。该方法得到的近似结果接近于真实螺纹螺栓模型的精度，但不需要详细的螺纹几何和精细的网格离散。螺栓截面法还大大节省了模拟时间。

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【简介】

    螺栓连接用于将两个或多个部件连接在一起，形成一个机械结构的组件。为了实现螺栓连接结构的预期物理行为，需要一个详细的三维螺栓模型，包括螺栓预拉力效应和接触界面的摩擦行为。然而，对于大型、复杂的结构，由于问题规模的限制和与分析整个结构相关的计算成本，螺栓连接的详细建模是困难的。

    螺栓螺纹建模技术 可用于2-D和3-D接触单元，提供了简化的建模，精度接近于真正的螺纹螺栓模型。螺栓螺纹建模技术可以通过分配一个“螺纹截面” (由SECTYPE命令定义)来模拟覆盖在光滑圆柱形螺栓表面上的接触元素。为了近似螺栓的行为，根据用户指定的螺纹几何数据和螺栓轴的端点(通过SECDATA命令输入)在内部执行计算。

    螺栓螺纹建模技术对于系统级建模是很有用的，其中螺栓的主要功能是传递负载。由于没有几何细节和网格离散化，该方法在计算成本上也不昂贵。该技术可应用于三维模型和二维轴对称模型。

【案例介绍】

    螺栓连接的两个主要特性是预紧和螺纹配合部分的接触。为了模拟螺栓的配置，建立了M120螺栓与一个盖板和一个底板模型。

    螺栓的最大直径为120mm，节径为116mm，节距为6mm，半螺纹角度为30度（按标准螺纹轮廓）。

    螺栓预紧力为256446 N，模拟实际螺栓现象。定义了三个摩擦接触对（FCP）：一个在螺纹区域内；一个在螺栓头与盖板之间；第三个在盖板与底板之间。对螺栓施加预拉力后，在盖板上表面施加50Mpa的压力载荷(小于等效预拉力载荷)。

    由于预紧载荷和摩擦接触行为所产生的螺栓杆应力（在螺栓头部和螺栓螺纹之间区域的应力）是螺栓模拟过程中主要关注的问题。该问题的目的是表明螺纹截面法简化了该螺栓连接的建模，并产生近似的螺纹行为和杆身应力，可与真正的螺纹螺栓模型相媲美。

该案例通过三种方法进行了模拟并进行了对比：

1、方法一：详细螺纹建模

    该方法是目前最准确的螺栓模拟方法。螺纹的详细建模提供了模型中准确的螺纹咬合行为。在螺纹区域需要非常精细的网格离散，这使得该方法的计算成本很高。

2、方法二：螺纹截面法（简化螺栓螺纹建模技术）

    在该方法中，通过分配螺纹截面给覆盖在光滑圆柱螺栓表面的接触单元来模拟螺栓螺纹。（不需要详细的螺纹 几何建模。）根据SECDATA命令给出的螺纹基本参数后在内部执行计算，以近似螺栓螺纹的行为。这种方法计算成本低。

3、方法三：MPC方法（螺纹区域的绑定行为）

    在该方法中，对螺纹区域定义MPC结合行为。这个方法的计算速度非常快，但是螺纹的详细行为可能会丢失。

【命令流简析】

本案例重点命令流为螺纹截面的定义与施加：

螺纹截面的定义规则如下：

Sectype, Secid, Contact, Bolt
Secdata, Dm , P, ALPHA, N, X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2
Dm= 平均螺纹直径
P = 螺距
ALPHA = 半螺纹角
N = 螺纹扣数
X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2 = 螺栓轴在整体笛卡尔坐标中的两个端点坐标

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
keyopt,100,4,3               !定义基于表面投影的接触检测方法
keyopt,100,10,2                     !每次迭代更新刚度
mp,mu,100,0.15               !摩擦系数
sectype,5,contact,bolt
secdata,116,6,30,,0,0,0,0,162,0
!螺纹截面定义平均半径116，螺距6，螺纹角60°，螺栓轴（0 0 0）→（0 162 0）
et,101,169
r,100,
cmsel,s,bolt_thread,node
type,100$mat,100$real,100secn,5      !声明定义的螺纹截面
esurf
cmsel,s,bottomplate_thread,node 
type,101$mat,100$real,100$secn,0$
esurf

【计算结果】

     下面的von Mises应力图显示，三种方法的螺栓应力是相似的。区别只在局部区域观察到，如螺纹区域或接近螺栓头和盖板接触区域。对于第一和第二种方法，能观察到螺纹区域的锯齿状应力分布，而第三种方法丢失了螺纹区域的细节表现。

    由此可见，使用螺纹截面的方法考虑螺纹咬合，即可较准确地模拟螺纹区域的咬合行为，同时也具有节省建模时间和计算成本的优势。