螺栓与有限元：基于ANSYS螺栓松动对比计算
作者：张老师
仿真秀优秀讲师
在螺栓都会标有数字，你知道这些数字的含义吗？简单讲，这些数字表示了螺栓的等级。钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级。
8.8级及以上螺栓通称为高强度螺栓，这类螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），
其余通称为普通螺栓螺栓性能等级标号有两部分数字组成，分别表示螺栓材料的公称抗拉强度值和屈强比值
如4.8级螺栓，其含义为:
螺栓材质公称抗拉强度达400MPa级；
螺栓材质的屈强比值为0.8；
螺栓材质的公称屈服强度为400X0.8=320MPa。
螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级；
螺栓材质的屈强比值为0.9；
螺栓材质的公称屈服强度为1000X0.9=900MPa。
为了研究螺栓松动承载后对螺栓本体的影响，本文采用如下计算模型，如图1所示。
图1 螺栓连接结构计算模型
计算工况如下：
各结合面的摩擦系数为0.05
螺栓的标准预紧力为5000N，螺栓松动，通过降低螺栓预紧力进行表征；
连接件的承受载荷为在顶面施加垂直拉力8000N。
1号螺栓和2号螺栓的预紧力都为5000N，承受8000N外载作用下的螺栓载荷如下：
1号螺栓的预紧力为4000N，2号螺栓的预紧力为5000N，承受8000N外载作用下的螺栓载荷如下：
1号螺栓的预紧力为3000N，2号螺栓的预紧力为5000N，承受8000N外载作用下的螺栓载荷如下：
由以上计算结果可以得到以下结论：
如果连接件承受的轴向载荷是恒定的，则松动螺栓的承受工作轴向载荷，随着松动程度的增加，而减少，即预紧力越小的螺栓，在后期承受的工作载荷越小，有利于静态工况的安全性；
如果连接件的轴向载荷是周期变化的，例如轴向载荷从0-8000N变化，则松动的螺栓的轴向工作载荷变化幅度。
规律如下：
预紧力为4000N时，1号螺栓的工作轴向载荷变化范围：1370N，2号螺栓的工作轴向载荷变化范围：1083N；
预紧力为3000N时，1号螺栓的工作轴向载荷变化范围：1800N，2号螺栓的工作轴向载荷变化范围：1161N；由此可知，松动的螺栓，载荷的变化范围大，则导致其应力变化范围大，因此其疲劳寿命会降低，实际工程中，螺栓连接件的主要工作环境都是振动环境，因此必须保证其合理的螺栓预紧力，否则会减少其疲劳寿命，导致断裂失效。
03螺栓连接模型的简化方法
以上是笔者基于ANSYS研究螺栓松动的影响，接下来我们来学习一下螺栓连接的简化方法。螺栓联接面接触问题的求解属于复杂的非线性问题;若在结构设计模型中完全建立螺栓几何实体,会造成计算规模巨大,计算效率极低等难题,特别是像风电，大型设备中螺栓规格数量非常多的情况下。当用户重点研究，螺栓本体或进行考虑含螺栓连接的模态计算时，可以使用以下螺栓的简化方法，即
为实现螺栓联接对载荷的传递,在整体模型中,建立螺栓联接的梁单元等效模型｡采用能同时承受轴向力､剪力､弯矩和扭矩的一维复杂梁单元模拟螺栓实体，建议可以采用高阶的BEAM189单元。具体连接方法如下：
1）如图1所示，将螺母与上连接件的接触区域，通过刚性梁耦合在R1位置；
2）螺栓螺纹连接区域与下连接件也是通过刚性梁耦合在R2位置。
3）耦合方法可以采用远端点或运动副实现。两连接件联接面之间建立接触对,同时在梁单元上创建梁截面,并施加预紧力模拟螺栓预紧效果，如图2给出了建立耦合的计算模型。
该种方法，梁单元可以输出轴力，剪力，弯矩供螺栓本体部件进行强度校核使用，如果用户的计算目标是考虑连接件的强度问题，则需要基于实际的情况，考虑螺栓模型及与连接件直接的接触关系。
