CAE工程分析 | 螺纹连接：仿真分析简化3
通常情况下，如果网格处理合适，由于实体单元能够体现的细节较梁板壳更多，因此计算结果精度理论上也更高。但是，最近梳理螺纹连接相关知识时，却发现好像并不是如此，或者说，使用实体单元对螺栓进行分析时，确实会遇到颇多问题
如图所示法兰结构，螺栓M10，等级8.8，现在需要模拟其在受到轴向载荷F和扭转载荷M作用下螺栓及法兰的应力分布以用于强度校核，螺栓预紧力P
不考虑螺纹细节，螺母与螺栓之间在对应位置使用绑定接触连接；螺栓头部-被连接件，螺母端部-被连接件，被连接件之间均使用常规摩擦接触
第一步，通过预紧单元施加螺栓预紧力
第二步，锁定预紧力并施加集中力/力矩
通常，上述过程被认为是使用实体单元模拟螺栓进行计算的标准流程
按照这一流程，我们对结构进行有限元分析，并提取剖面应力分布
根据云图标识结果，螺栓最大局部米塞斯应力为611MPa，位于螺栓头部下端，小于材料的屈服强度640MPa，因此螺栓在给定工况下安全，安全系数为611/640=1.05
上述校核过程看起来好像并没什么不妥，按照强度准则结构应力≤许用应力，每一步都非常合理，但是大家如果仔细阅读文章《CAE工程分析 | 螺纹连接：工程校核考虑》会发现，仅仅这样就给出校核结果过于草率
在文章中，根据螺栓可能的失效模式，给出了以下几部分需要校核的内容
①螺栓预紧时光杆应力＜材料屈服强度
②螺栓加载时光杆应力＜材料屈服强度
③被连接件夹紧压力＞密封压力
④螺栓应力幅＜螺栓拉伸疲劳极限
⑤螺栓最大拉应力＜材料抗拉极限
⑥被连接件摩擦力＞横向剪切力
⑦螺栓剪切应力＜材料剪切强度
⑧啮合长度、表面压溃、螺栓松动等
根据上述校核需求，我们一起来看下，有多少结果是直接可以通过实体有限元计算得到（为什么需要校核这些内容可以参考前文）
螺栓预紧时光杆应力＜材料屈服强度
有限元分析中预紧的施加是通过预紧力单元直接加载在轴中，而实际操作是通过螺纹的拧紧实现，在这个过程中，会产生一定的扭转切应力，也就是说，有限元中计算的螺栓应力并不包含扭转切应力作用
螺栓加载时光杆应力＜材料屈服强度
由于安装所带来的扭转切应力影响随着时间会逐渐降低到次要影响，因此加载时主要考虑螺栓预紧力与外载作用。但问题在于，有限元计算直接提取的最大应力往往是集中应力，也就是说，图中606MPa并不能直接用于螺栓校核，相对的，应该取光杆表面应力450MPa作为校核应力更加合理
被连接件夹紧压力＞密封压力
这一部分校核使用有限元校核确实相对容易许多，因为能够直接提取各个接触面之间的接触压力，并且能够观察到接触面的压力分布情况对螺栓的连接状况进行判断
螺栓应力幅＜螺栓拉伸疲劳极限
前文也说明过，对螺栓疲劳性能影响最大首先是应力幅，然后是局部细节特征，因此对螺栓进行疲劳校核时，可以使用加载前后螺栓杆处的应力幅，比如上图中加载后相比于预紧时，表面应力只变化了1MPa，也就是使用该值作为应力幅与螺栓疲劳极限进行对比（大部分载荷波动在被连接件中，这也表明预紧的重要性）
螺栓最大拉应力＜材料抗拉极限
这部分可能会有伙伴纳闷，需要最大拉应力＜屈服强度，那不是必然＜抗拉强度？实际上确实是如此，但是这仍然是一个重要连接参数，因为能够得到螺栓抗拉安全系数，并且螺栓达到屈服后，螺栓会发生分离，进而导致预紧力消失，因此该参数的计算并不适合直接使用有限元计算应力直接与抗拉极限比较，而更推荐使用接触反力得到螺栓轴力，使用轴力/截面进行计算
被连接件摩擦力＞横向剪切力
有限元分析中，如果被连接件摩擦力＜横向剪切力，那么计算会不收敛，但是由此带来一个问题，满足要求后，我们并不知道施加结构能够承受多大的剪切载荷，因为剪切力都被连接件接触面抵消，不知道分担到每个螺栓预紧局部需要承担多大的剪切力，也就是很难精确校核
螺栓剪切应力＜材料剪切强度
与上面相同原因，由于摩擦力被抵消掉了，每个螺栓预紧局部需要承担的剪切力很难单独提取出来，因此无法直接对该参数进行校核
总结上述结果，也就是实体螺栓计算可以校核②③④⑤⑥，但是②中无法考虑剩余剪切应力影响，③使用有限元分析能够较好处理，④中需要对比加载前后得到应力幅，⑤中需要额外提取接触反力，⑥只能得到结论但是较难得到极限抗剪能力，而对于①⑦及⑧中部分存在的问题会较多
上述内容可能会让人觉得笔者是不是对有限元分析要求太高了
从客观角度讲，实体螺栓建模最大的优势并不在于螺栓校核方面，而是在于能够较为准确地模拟螺栓对整体结构的影响
也就是说，实体螺栓+摩擦接触组合，能够较为准确的体现螺栓在受到各种载荷下的变形以及接触情况，直接影响装配体静刚度以及动刚度性能的模拟是否准确，而这也是其它简化方式很难计算部分
而实体螺栓建模的缺点也非常明显
首先引入了非线性接触作用，导致计算时间较长，分析类型也受到限制
其次实体螺栓中各种典型体系内力不便于获取或者存在缺失，增大了校核难度
为了降低接触的计算量和后处理提取内力的问题，实体螺栓的替代方案是实体+梁或者纯梁模型，但是依旧避免不了非线性接触的引入
那么，有限元分析对于螺栓连接到底怎么处理更合适呢？这部分内容在下一篇文章中更新
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