给螺栓垫上套筒为什么会提高螺栓的疲劳性能？用仿真告诉你答案！

    最近本号货架行业重要客户的工程师提出来一个问题。为什么下图的螺栓要用套筒垫起来？

    垫起来，螺栓就会变长，这么做的道理是什么呢？本号通过仿真分析来解释其中的原理。

    螺纹连接是金属结构中最常用的连接方式之一。螺栓的失效形式主要是疲劳失效，所以有必要提高螺栓的疲劳性能。

    通过套筒将螺栓垫高加长，能够降低螺栓的应力波动范围，从而提高了螺栓的疲劳寿命。

    本文为了对比螺栓垫高加长前后的力学性能变化。使用下图立柱模型。

    将方便容易划分为六面体网格的实体划分为六面体网格，将不方便的体划分为四面体网格。这样的网格划分策略兼顾了网格规模和网格划分效率。

    焊接的考虑方式主要有两种，第一，共节点，这种方式计算精度高，但会给网格划分带来一定的难度；第二，绑定接触，这种方式影响绑定接触局部位置的计算精度，但基本不影响其它位置的计算精度，并且不会造成网格划分困难。本号主要研究螺杆垫高加长的影响，所以板件焊接位置全部采用绑定接触，不影响本号的分析精度。

    套筒01、02、03、04与板01定义摩擦接触关系，板01与板02定义摩擦接触关系。摩擦系数本号假设为0.1。

    插入梁连接定义螺栓连接关系，螺杆半径为7mm。

    不带套筒垫高加长的连接关系定义方法类似。

    设置两个载荷步。

    对螺栓连接施加预紧力。

    施加水平方向的惯性载荷。

    固定约束立柱底部。

    查看带套筒垫高加长的螺栓分析结果。

    查看不带套筒垫高加长的螺栓分析结果。

    为方便读者查看，将以上结果汇总为表格。

    假设水平方向的惯性载荷的方向是左右变化的，即立柱的螺栓会承受交变载荷。当惯性载荷方向相反时，螺栓-01的内力就会变成螺栓-04的情况，螺栓-04的内力又会变成螺栓-01的情况。所以螺栓-01和螺栓-04的内力会在这个范围内不断变化。同理，螺栓-02和螺栓-03。

    细看表格可以发现，带套筒的螺栓的轴力波动范围小于不带套筒的轴力波动范围，带套筒的螺栓的弯矩波动范围小于不带套筒的弯矩波动范围。带套筒的螺栓的应力波动范围更小，所以疲劳寿命更长，疲劳性能更好。

    因为使用梁连接模拟螺栓连接关系，只能看到内力。本号下一篇文章将使用线体梁单元模拟螺栓连接关系，不仅可以看到内力，还可以直接查看应力，会更直观的表明：增加套筒垫高加长螺栓，有利于提高螺栓的疲劳性能。

    螺栓带套筒立柱的侧向位移如下图所示。

    螺栓不带套筒立柱的侧向位移如下图所示。

    螺栓带套筒后，立柱的侧向位移会有所增加，即立柱的抗侧刚度会有所降低。

    总结来说，螺栓带套筒后，会提高螺栓的疲劳性能，但会降低立柱的抗侧刚度。