预紧螺栓连接仿真分析

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导读

作者：龙健辉（中国直升机设计研究所）

来源：《中国科技信息》2018年7月

摘要：基于Hypermesh建立的螺栓连接有限元模型,利用ANSYS作为求解器,通过分步加载模拟了预紧螺栓受拉力情况,得到了螺栓连接件的变形,应力分布等详细情况。这种方法为接头螺栓连接结构进一步优化设计提供参考。

0 引言

螺栓连接在建筑、石化、能源、航空、航天等国民经济各个部门中应用普遍。螺栓连接设计安全与可靠性非常重要。机械设计手册对螺栓连接及预紧均有详细介绍。但是，对于某些重要的接头连接，还需要了解连接件局部的变形、应力分布，而这部分，传统的结构分析方法却往往比较困难。

螺栓连接是一种典型的非线性接触问题。接触边界的位置、范围以及接触面上力的分布和大小不能事先给定，而需依赖对整个问题的求解才能确定。同时，这类问题往往伴随着几何非线性和材料非线性。

ANSYS 软件是一种大型有限元软件，与其他通用有限元软件有相应接口，应用广泛，提供了100 种以上的单元类型，可以用来模拟工程中各种结构和材料。其分析计算模块可以进行各类非线性分析，并能得到很好的收敛结果。

本文以Hypermesh 作前处理建立规则的有限元模型，利用ANSYS 作非线性分析求解器，模拟了某型机框与框间典型对接中预紧螺栓受力情况。

1 预紧力计算

绝大多数螺栓连接在装配时都必须预紧，预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。螺栓拧紧力矩与预紧力之间关系如下：

本文所分析的螺栓连接结构，采用了M6 螺栓，材料：30CrMnSiA，

其余信息如表1 所示：

当螺栓拧紧力矩13000N·mm，由（1）式反推得螺栓预紧力：

2 有限元模型

2.1 建模及网格划分

螺栓连接件的典型截面连接型式如下，纵向含3 个螺栓连接。其中：框A、框B 及螺栓均用实体单元solid186 划分网格， solid186 选项参数KP（2）=1，打开完全积分模式以适应实体复杂外型网格划分。螺栓完全用六面体网格划分，

框绝大部分用六面体网格划分，在复杂R 角过渡区，则采用混合网格（六面体网格间通过金字塔网格及四面体网格衔接过渡）划分。

图1 框对接处螺栓连接横截面

图2 BISO 模型中应力与应变关系

图3 约束及加载

通过CONTA170 与CONTA174 接触单元建立3D 面与面的接触，模型共有7 对接触对：螺栓头与垫圈，垫圈与框B，框B 与框A，框A 与垫圈，垫圈与螺母，螺栓光杆与框A、框B。前5 个接触对初始间隙为0，后两个为间隙配合，间隙为0.1mm。另外，有限元模型中螺母与螺栓简化为一体，计算两者的螺纹连接时提取螺栓轴力用工程算法计算。

2.2 材料属性定义

材料采用BISO（双线性等向强化）本构模型，该模型应力与总应变关系如下图所示，曲线为两条折线：前一段为弹性阶段，斜率为弹性模量，后一段为塑性阶段。斜率为割线模量。模型输入参数如下。