【预紧螺栓】温度法的仿真流程介绍

本文摘要（由AI生成）：

文章介绍了螺栓连接在机械设备中的重要性，以及四种常用的螺栓建模方法，包括等效力法、截面法、渗透接触法和温度法。其中，温度法通过施加温度载荷模拟螺栓预紧力，几乎不受仿真软件的限制，使用较为广泛。文章最后总结，温度法可以直观地反应螺栓与连接部件的受力特性，建模过程不复杂容易理解，即可以用在静力学分析又可以用到动力学分析中，而且几乎在每个有限元软件中都能够实现。如果仿真中有需要考虑螺栓预紧力的情况可以考虑使用这一方法。

    螺栓连接是机械设备中广泛使用的紧固件之一。一般系统级的结构有限元仿真都要考虑螺栓连接该怎么建模的问题。当螺栓不是仿真关注的重点时可以不对螺栓建模或建立简化的螺栓模型。当螺栓恰好是结构中的关键部件的薄弱环节时则必须建立精细的螺栓模型。

1 常用方法概述

    仿真中常用的螺栓建模方法包括等效力法、截面法、渗透接触法、温度法。等效力法将螺杆所承受的轴向拉力等效为多个集中力或者一个面压力，然后对预紧螺栓作用的联接结构直接施加等效荷载。需要注意，使用这种方法不应该再额外建立螺杆，否则会改变螺杆本身的受力状态和连接区域受力大小。

    截面法是将螺杆中间截开，然后通过一个多点约束单元（overclosure单元）连接截开的两个平面，直接在控制点施加一个力使上下两个分开的截面相互靠近，具体如图1所示。Marc和MSC Nastran都支持这种建模方法。

图1 截面法施加预紧力示意图

    渗透接触法是在建模时预先给螺杆上部单元整体向下移动一定距离，并对这部分单元施加一个强制位移（强制位移略大于向下移动量），分析时螺杆先被拉长然后释放位移载荷，通过螺栓的变形回弹来模拟螺栓预紧力，详见图2。这种方法适用于非线性有限元软件。

图2 渗透接触法加预紧力示意图

    温度法是通过对螺栓施加一个温度载荷，通过热胀冷缩的原理使螺栓收紧，从而模拟螺栓预紧力。这种方法几乎不受仿真软件的限制，因此使用较为广泛。下面将通过一个简单的案例介绍在MSC Nastran中使用温度法模拟螺栓预紧力的仿真流程。

2 温度法简例

    一对平板通过螺栓连接，两端固支，如图3所示。

图3 有限元模型图

    平板与平板、平板与螺栓都定义接触，如图4所示。

图4 定义接触关系

    要施加温度载荷必须在材料参数中输入热胀系数，热胀系数的单位是1/℃，使用标准单位制和毫米单位制应该输入同样的数值。本文三个零件材料都是铝，对应的材料参数如图5所示。

图5 材料参数定义窗口

    在两个平板上施加20℃的温度载荷，在螺栓上施加-30℃的温度载荷，分析时设置初始温度为20℃。这样两个平板因为没有温度差自身不会产生变形，螺栓因为温度降低50℃所以会发生紧缩，从而实现预紧的效果。

    分析后显示螺栓和平板的应力云图如图6所示。

图6 应力云图

    平板上的应力最大值为64.8MPa，螺栓上的应力最大值为163MPa。输出接触力结果可以计算得出预紧力的大小，这个例子中的预紧力的数值为11118N。因为分析模型是线性本构关系，所以可以通过分析结果反算出螺栓降低多少度可以模拟确定的预紧力。比如要加的预紧力为10000N，则需要施加在螺栓上的温度为-24.97℃。

3 总结

    温度法可以直观地反应螺栓与连接部件的受力特性，建模过程不复杂容易理解，即可以用在静力学分析又可以用到动力学分析中，而且几乎在每个有限元软件中都能够实现。如果仿真中有需要考虑螺栓预紧力的情况可以考虑使用这一方法。

  说明：文中截面法和渗透接触法的部分引用了冷峻在《螺栓预紧力的加载方法研究》一文中的内容。