中望结构仿真算例（三）：螺栓分析

本期算例教程模型为螺栓，具体的参数分析如下：

图1(左)所示模型中，上方的铁制零件和下方的铝制方块零件通过螺栓连接在一起，螺栓头部和垫片的半径为10mm，螺栓内部预紧力为2000N。

仿真分析中可以采取如图1(右)的处理方式，利用梁单元和连接单元代替螺栓结构，简化模型，加速计算。

图1.几何模型

点击工具栏中【文件】→【打开】，在导入模型对话框中选中【bolt_connect.stp】后点击【打开】，导入零件模型，如图2所示。

图2. 导入模型  

在右上角下拉处点击【训练手册】，在【Model】文件夹下可找到相应的练习源文件。

本案例将螺栓等效表示为梁单元和刚性连接单元的组合，避免了对螺栓进行建模的繁琐操作。这一步骤中利用直线段对螺栓结构进行简化表示。

点击工具栏中【线框】→【直线】，连接其中一个圆孔两端的圆心，如图3所示，并在另一个圆孔处重复同样操作。

图3. 绘制线段

本案例中选择MMKS单位制。

点击工具栏中【仿真】→【预处理】→【单位管理】打开单位设置对话框，本例中单位如图4所示。

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图4. 单位设置

点击工具栏中【仿真】→【中望App】→【新建结构仿真任务】打开新建仿真任务对话框，选择【线性静态分析】后点击【 ✓ 】进入线性静态仿真分析页面，如图5所示。

图5. 新建仿真任务

在节点树上点击【线性静态】→【几何体】，在右键菜单中选择【添加几何体】，选中前面步骤所建立的两条线段。完成操作后在节点树上会出现两个梁单元。

图6. 添加梁单元

建立完成梁单元，需要对其赋予与原螺栓相同的截面系数。已知螺栓截面半径为6mm。

在节点树上点击【线性静态】→【几何体】→【L（梁）】，在右键菜单中选择【梁单元属性】。在梁单元属性窗口中设置y方向为(0,1,0)，形状选择【圆形杆】，半径设为6mm，如图6所示。对另一根梁进行同样的操作。

图7. 梁单元属性设置

右键点击节点树下的【线性静态】→【几何体】→【bolt_connect】→【S1(实体)】，点击【编辑材料】打开材料库对话框，如图8所示。

图8. 材料库对话框

在材料对话框中，右键点击【用户】→点击【新建材料】打开【新建材料】对话框，在【名字】中输入top，在【弹性模量】中输入2e11，在【泊松比】中输入0.28，其他项可留空，如图9所示。点击【确认】，可返回【材料库】对话框。

图9. 新建材料

在材料库对话框中，点击【确认】返回节点树界面，可以看到【S1(实体)】自动更改为【S1(top)(实体)】,说明名为top的材料属性已成功赋予给几何体S1，如图10所示。

图10. 材料设置

下端零件材料为铝，可以用类似图8-9的方式在【材料库】→【用户】上右键点击新建材料，命名为bottom，设置弹性模量为7e10，泊松比为0.32；同样地，设置梁单元材料名为beam，弹性模量为2.06e11，泊松比为0.28。

图11. 材料设置

原模型中螺栓头部和垫片的半径都为10mm，所以在建立连接单元前需要画出螺栓及垫片与零件的接触面。

点击工具栏【线框】→【圆】，在图12所示四个圆孔的开口处绘制半径为10的圆。

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图12. 绘制四个圆

点击工具栏【曲面】→【曲线分割】，将S1的上表面和S2的下表面通过前面绘制的圆进行分割。

(a)

(b)

图13. 分割接触面

右键点击节点树下的【线性静态】→【连接】，选择【动力学刚性连接】，选择梁单元端点为独立点，螺栓头部或垫片与零件接触面为依赖对象，勾选六个单元自由度。在两梁的四个端点重复此操作。

图14. 建立连接单元

右键点击节点树的【约束】，点击【固定约束】打开约束设置对话框，选择上方零件圆筒内表面，点击【 ✓ 】完成固定约束设置。

图15. 施加固定约束

根据模型介绍所述，螺栓中存在大小为2000N的预紧力，所以也需要在梁单元两端各施加2000N的力荷载。

右键点击节点树的【机械荷载】，选择 【力荷载】打开力载荷设置对话框。在对话框中选择方向为【全局方向】，勾选【施加到点】，选中梁的一个端点，方向选择朝向这根梁的另一个端点，即零件上表面处梁端点上力指向-Z，而零件下表面处梁端点上力指向Z。

(a)

图16. 施加螺栓预紧力

右键点击节点树的【网格】，点击【新建网格】打开创建网格对话框,

网格器选择【ZW】，划分方式选择【标准】，在【网格大小】设置为2mm，【公差】设置为0.5，【单元类型】选择自动，在【选项】中勾选【兼容网格】，点击【 ✓ 】完成网格划分设置，如图17所示。

模型中包含多个实体，所以应当设置兼容网格，否则需要设置接触关系。

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图17. 网格划分

右键点击节点树下的【线性静态】→【结果】，点击【运行计算】运行求解器计算。计算结束，节点树上出现位移和应力结果。

图18. 仿真计算及结果

在节点树【线性静态】→【结果】下可查看求解结果云图，图19所示为模型在螺栓预紧力下的位移云图。

图19. 结果查看与后处理

如需查看更多结果，可点击工具栏中的【中望结构仿真】→【结果】→【新建结果】，或在节点树【结果】处右键菜单中选择【新建结果】打开结果绘图对话框，选择想要查看的结果，点击【确认】，结果云图将被添加到节点树的【结果】下，双击新添加的结果即可显示结果云图。

（a）

图20. 查看更多结果云图

如需查看节点和单元数据，点击工具栏中【中望结构仿真】→【结果】→【结果数据表】打开结果列表对话框，选择想要查看的数据，点击【确认】，即可查看相应的数据列表，如图21所示。

图21. 查看数据列表