第25卷第1期山东科技大学学报(自然科学版)Vol.25No.1 2006年3月Journal of Shandong University of Science and T echnology(Natural Science)Mar.2006文章编号:1672-3767(2006)01-0057-03
利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究
李会勋1,胡迎春1,2,张建中3
(1.广西大学机械工程学院,广西南宁530004;2.广西工学院计算机工程系,广西柳州545006;
3.山东科技大学机械工程系,山东泰安271000)
摘 要:在螺栓联接的有限元分析中准确模拟螺栓的预紧力是一项复杂而困难的工作。论述了利用有限元技术在ANSYS中模拟螺栓预紧力的预紧力单元法、降温法和渗透接触法等方法。通过对比发现预紧力单元法能较好的模拟实际预紧力,从而为有限元分析中施加预紧力载荷提供了可靠的理论和应用依据。
关键词:AN SYS;预紧力单元法;降温法;渗透接触法
中图分类号:T H123.4 文献标识码:A
Study on Simulating Bolt Pretension by Using ANSYS
LI Hui-xun1,H U Ying-chun1,2,ZHANG Jian-zhong3
(1.College of M echanical Eng.,Guangxi Univers ity,Nanning,Guangxi530004,China;2.Dept.of Computer Science,Guangxi
Pol y technic College,Liuzhou,Guangxi545006,China;3.Dept.of M echanical Eng.,S UST,Taian,Shandong271000,China)
A bstract:I t is quite complex and difficult to simulate bolt pretension accurately in the analy sis of bolt joint by finite element method.Three methods such as the pretension element,decreasing temperature and pene-trative contact methods are discussed in ANSYS by using finite element technology.And comparisons of them find that pretension element method could be the best w ay to simulate the real bolt pretension,pro-viding a reliable theo retic and application bases for pretension loading in the analysis of bolt joint by using fi-nite element method.
Key words:ANSYS;pretensio n element method;decreasing temperature method;penetrative contact method
受拉紧螺栓联接是机械结构中应用最广泛的联接方式。绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧,使联接在承受工作载荷之前,预先受到力的作用。这个预加作用力称为预紧力[1]。预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性,以防止受载后被联接件间出现缝隙或相对滑移[2]。对于有螺栓联接的机械结构有限元分析,如何将其施加于模型上,较好地模拟螺栓受力情况达到在有限元分析中的准确加载并得到正确的分析结果,有一定难度。本文采用预紧力单元法、温度法和渗透接触等方法在ANSYS[3]中模拟螺栓预紧力加载,对这三种方法进行了比较。
1 螺栓预紧力的计算
预紧力Q p的数值应根据载荷性质、联接刚度等条件确定。在使用中所施加的预紧力是由旋紧螺帽所施加的扭矩T给出,T可以使用测力扳手在旋紧螺帽时测出。拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面与被联接件(或垫圈)支承面间的摩擦阻力矩T2之和,即: T=T1+T2(1)螺旋副间的摩擦力矩为:
T1=Q p
d2
2
tg(ψ+φv)(2)螺母与支承面间的摩擦力矩为:
T2=
1
3
f c Q p
D30-d30
D20-d20
(3)
将(2)和(3)代入(1)得
收稿日期:2005-06-28 基金项目:广西青年科学基金项目(桂科青0447007)
作者简介:李会勋(1981-),男,河北石家庄人,硕士研究生,从事可靠性与优化设计方面的研究.
T =12Q p d 2tg (ψ+φv )+23f c D 30-d 3
D 20-d 2
(4)对于M 10～M 64粗牙普通螺纹的钢制螺栓,螺纹升角ψ=1°42′～3°2′;螺纹中径d 2≈0.9d ;螺旋副的当量摩擦角φv =arctg 1.155f (f 为摩擦系数,无润滑时f ≈0.1～0.2);螺栓孔直径d 0≈1.1d ;螺母环形支承面的外径D 0≈1.5d ;螺母与支承面间的摩擦系数f c =0.15。将上述各参数代入(4)整理后可得T ≈0.2Q p d (5)
因此螺栓预紧力为:
Q p ≈T
0.2d
(6)
2 螺栓预紧力的模拟[4]
在预紧力作用下,螺栓处于受拉状态,而被连
接件则受压。如果采用加在杆单元两头的平衡载荷无论是哪个方向都不能模拟真实的受力情况。在通用有限元分析软件ANSYS 中可利用以下几种方法来模拟螺栓预紧力的加载。2.1 利用预紧力单元法模拟螺栓预紧力ANS YS 提供了预紧力单元PRETS179和PTSMESH 预拉伸分网操作来模拟螺栓的预紧力。利用3-D 实体结构描述联接件,
预紧力单元PRETS179在螺杆模型联接处模拟一个预拉伸截面。在联接件上施加预紧力单元的最简便的方法是利用PSM ESH 命令定义预紧力截面,并产生预紧力单元。它自动将划分了网格的联接件切成两部分,并插入预紧力单元,将预紧力Q p 直接加载到这层单元上,预紧力单元如图1所示。
图1 螺栓预紧力单元图
Fig .1Uint of bolt 's pretightening
2.2 利用降温法模拟螺栓预紧力
温度降低将引起物体收缩变形,结构的变形
受到约束,就会产生内部拉力。可以采用降温法来模拟螺栓预紧力状况。其基本思想是:把初载荷换算成对应的温度载荷加载的螺栓杆上。
假定螺栓最初安装的联接件上不产生预紧力,当螺栓上作用有负的温度载荷(假定初始温度为0)其他构件温度不变,这时螺栓必然收缩,螺栓必然受到一个拉力阻止其自由收缩,而被联接
件则受到压力作用。通过换算使温度载荷等效于
螺栓上施加的初载荷,便可以模拟预紧力。
假定螺栓材料的膨胀系数为a 。螺栓杆的初载荷Q p ,并计算初载荷下螺栓的初变形
Δl 1=Q p c b
=Q p l EA (7)
被联接件的变形Δl 2=Q p
c m
(8)
其中,c b 为螺栓刚度,c m 为被联接件刚度。对处于不受力状态的螺栓联接施加预紧力矩,通过螺帽与螺栓杆之间的相对运动(旋紧),螺杆不断伸长,螺孔周围的底盘不断被压缩。螺栓杆中受到的拉力与底盘中受到的压缩合力通过螺帽处于平衡状态,并且随预紧力矩的增大而增大。
螺栓杆和被连接件变形总和为:Δl =Δl 1+Δl 2(9)令 α·■T ·l =Δl (10)ΔT 为相对于初始温度时的螺栓上作用的温度载荷。即:
ΔT =T 0-T 螺栓(11)
则:T 螺栓=T 0-Δl
α·1
(12)
初始温度选取不影响计算,令T 0=0,则:
T 螺栓=-Δl
α·l
(13)
把初始载荷换算成温度载荷,加载到螺栓杆上。2.3 采用渗透接触法模拟螺栓预紧力
通过ANSYS 提供的接触副可以模拟螺栓的预紧力。如图2所示。首先在建螺栓杆时减去施加预紧力矩之后螺杆和被联接件的变形总和,然后建立接触对,螺杆受到了拉力,被联接件受到压力作用,即可模拟出螺栓的预紧力作用。
图2 螺栓杆渗透接触示意图
Fig .2S hank of bolt 's infiltrate touching
首先要根据公式(7)、(8)、(9)计算出螺杆在预紧力的作用下的变形量以及被联接件的变形量之和Δl ,在建模时直接在螺杆上减去这部分变形量,因此做出的螺杆长度为:
l 螺杆=l -Δl (14)
3 实例
以M 24的螺栓为例,螺杆长l =30mm ,直径d =24mm ,螺帽直径39.55mm ,高13mm ,预紧力
58山东科技大学学报(自然科学版) 第25卷
矩T =1020Nm ,弹性模量E =2.1×105M Pa ,泊松比μ=0.3,热膨胀系数a =0.000012/℃。
算得预紧力Q p ≈212500N
螺栓杆的变形量Δl 1=6.7×10
-2
mm
被联接件变形量Δl 2=6.26×10-2mm 总变形量Δl =1.296×10-1m m 。初始环境温度T 0=0,这时
T 螺栓=T 0-Δl
α·l
=-360℃预紧力Q p 引起的螺杆拉应力为:σ=4Q p πd 2=4×2125003.14×(24×10-3)
2=
469.966MPa 分别采用2中描述的三种方法来模拟此螺栓预紧力作用,在ANSYS 中选用solid92单元。3.1 预紧力单元
有限元模型如图3所示。划分单元数为8859,节点数为13766[5]。在螺杆中部,轴向平均应力约为470M Pa ,与计算得到的拉应力值469.966M Pa 基本一致,与实际情况相符,因为采用预紧力单元时,预紧载荷直接加载在螺杆上,不受模型单元划分数目的影响,模拟出螺栓预紧力。其轴向应力云图如图4
。
图3 螺栓联接有限元模型
Fig .3Finite element of bolt
junction
图4 预紧力单元轴向应力云图
Fig .4Axial stress nephogram pretightening uint
3.2 降温法
有限元模型与图3一致,计算结果螺杆轴向
应力云图如图5所示。在螺杆中部,轴向平均应力约为500MPa ,大于计算值,应力分布不均匀,尤其是靠近螺杆轴心部分的拉应力偏大,而远离
轴心部分拉应力偏小,这主要是由于降温法在降
温时螺杆不仅在轴向产生压缩应力,还在径向产生径向压缩应力。3.3 初始渗透接触法
有限元模型划分的单元数为8232,节点数为13499。计算结果螺杆轴向应力云图如图6所示。同样,在螺杆中部,螺杆轴向平均应力约450M Pa ,小于理论值
。
图5 降温法螺杆轴向应力云图
Fig .5Axial stress nephog ram of w arm forging
bolt
图6 渗透接触轴向应力云图
Fig .6Axial stress nephogram infiltrate touching
4 结束语
采用降温法和渗透接触法计算出的结果与理论值相差较大,而采用预紧力单元法则很好地模拟了螺栓预紧力作用。其原因在于预紧力单元法中,预紧载荷直接加载在螺杆上,受模型划分的单元数目等因素影响较小,因此可以很好的模拟出螺栓预紧力;而降温法和渗透接触法受模型划分的单元数目影响较大,并且降温的时候螺杆不仅在轴向产生压缩应力,而且还在径向产生压缩应力,从而势必增大螺栓的整体应力。参考文献:
[1]董刚,李建功,潘凤章.机械设计[M ].北京:机械工业
出版社,1999.
[2]叶红,颜廷武,刘元胜.法兰连接中的螺栓预紧力[J ].
有色矿冶,2005,21(3):46～48.[3]博嘉科技.有限元分析软件———A NSYS 融会与贯通[M ].北京:中国水利水电出版社,2002.
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第1期 李会勋等:利用ANSYS 模拟螺栓预紧力的研究
/ti t le, Sample application of PSMESH et,1,92 mp,ex,1,1e7 mp,alpx,1,1.3e-5 mp,prxy,1,0.30 mp,ex,2,3e7 mp,alpx,2,8.4e-6 mp,prxy,2,0.30 tref,70 /foc,,-.09,.34,.42 /dist,,.99 /ang,,-55.8 /view,,.39,-.87,.31 /pnum,volu,1 /num,1 cylind,0.5,, -0.25,0, 0,180 cylind,0.5,, 1,1.25, 0,180 cylind,0.25,, 0,1, 0,180 wpoff,.05 cylind,0.35,1, 0,0.75, 0,180 wpoff,-.1 cylind,0.35,1, 0.75,1, 0,180 wpstyle,,,,,,,,0 vglue,all numc,all vplot mat,1 smrt,off vmesh,4,5 mat,2 vmesh,1,3 /pnum,mat,1 eplot psmesh,,example,,volu,1,0,z,0.5,,,,elems CM,lines,LINE /dist,,1.1 cmplot /solu eqslve,pcg,1e-8 asel,s,loc,y da,all,symm
dk,1,ux dk,12,ux dk,1,uz sload,1,9,,force,100,1,2 /ti t le,Sample application of PSMESH - preload only solve !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !Finally, we construct the actual solution of interest. We want to !know what happens to the preload in the bolt, and the stress field around !it, when the assembly temperature rises to 150° F. !Both the preload and the stresses increase because, for a uniform !temperature rise, there is greater thermal expansion in the aluminum plates !than in the steel bolt. Any method for applying preload that did not !allow the load to change would be unable to predict this result. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! /post1 plnsol,s,z /solu antype,,restart tunif,150 /ti t le,Sample application of PSMESH - uniform 150° solve /post1 plnsol,s,z GUI操作流程： 1. Set the Analysis Title (1) Choose Utility Menu> File> Change Title (2) Enter the text, “Sample Application of PSMESH” and click OK. 2004-8-17 11:27 #3
螺栓紧固面的预紧分析 命令流： /prep7 /title, Sample application of PSMESH et,1,92 mp,ex,1,1e7 mp,alpx,1,1.3e-5 mp,prxy,1,0.30 mp,ex,2,3e7 mp,alpx,2,8.4e-6 mp,prxy,2,0.30 tref,70 /foc,,-.09,.34,.42 /dist,,.99 /ang,,-55.8 /view,,.39,-.87,.31 /pnum,volu,1 /num,1 cylind,0.5,, -0.25,0, 0,180 cylind,0.5,, 1,1.25, 0,180 cylind,0.25,, 0,1, 0,180 wpoff,.05 cylind,0.35,1, 0,0.75, 0,180 wpoff,-.1 cylind,0.35,1, 0.75,1, 0,180 wpstyle,,,,,,,,0 vglue,all numc,all vplot mat,1 smrt,off vmesh,4,5 mat,2 vmesh,1,3 /pnum,mat,1 eplot psmesh,,example,,volu,1,0,z,0.5,,,,elems CM,lines,LINE /dist,,1.1 cmplot /solu eqslve,pcg,1e-8 asel,s,loc,y da,all,symm asel,all dk,1,ux dk,12,ux dk,1,uz sload,1,9,,force,100,1,2 /title,Sample application of PSMESH - preload only Solve 图一.应力云图 图二.应变云图
螺栓扭矩预紧力对照表扭力螺丝刀, 扭力扳手 数显扭距测量仪等 螺栓标准扭矩及预紧力查询表（仅供参考） 内六角外六 角 螺栓 直径 DIN267性能等级(螺栓强度等级) 螺栓螺栓 3.6 5.6 6.9 8.8 10.9 12.9 S(m m) S(m m) M(m m) Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） Fv(N) Ma （Nm ） 1.5 4 M2 255 0.1 345 0.15 710 0.3 835 0.35 1,170 0.5 1,415 0.6 2 5 M2.5 485 0.26 655 0.35 1,310 0.71 1,550 0.8 3 2,180 1.18 2,620 1. 4 2.2 5 5.5 M3 630 0.37 1,050 0.62 1,700 0.99 2,250 1.3 3,150 1.9 3,800 2.2 6 M3.5 850 0.5 7 1,400 0.95 2,250 1.5 3,000 2 4,250 2.9 5,100 3.4 3 7 M 4 1,100 0.8 5 1,850 1.4 2,900 2.3 3,900 3 5,750 4.4 6,700 5.1 4 8、9 M 5 1,800 1.7 3,000 2.8 4,800 4.5 6,400 5.9 9,400 8.7 11,000 10 5 10 M 6 2,550 2.9 4,200 4.8 6,750 7. 7 9,000 10 13,200 15 15,500 18 6 13、 14 M8 4,650 7 7,750 12 12,40 19 16,500 25 24,300 36 28,400 43 8 15、 17 M10 7,400 14 12,30 23 19,70 37 26,300 49 38,700 72 45,200 84 10 19、 21 M12 10,80 24 18,00 40 28,80 65 38,400 85 56,500 125 66,000 145 12 22、 23 M14 14,80 39 24,70 64 39,50 105 52,500 135 77,500 200 90,500 235 14 24、 26 M16 20,40 59 34,00 98 54,50 155 72,500 210 107,00 310 125,000 365 27 M18 24,80 81 41,30 135 66,00 215 91,000 300 129,00 430 152,000 500 17 30 M20 31,90 115 53,00 190 85,00 305 117,00 425 166,00 610 195,000 710 32 M22 39,90 155 66,50 260 106,0 00 415 146,00 580 208,00 820 244,000 960 19 36 M24 45,90 200 76,50 330 122,0 00 530 168,00 730 240,00 1,050 281,000 1,220 41 M27 80,50 295 100,0 00 490 161,0 00 780 222,00 1,100 316,00 1,550 369,000 1,800 22 46 M30 73,50395 122,0660 196,01,050 269,001,450 384,002,100 449,000 2,450
1、定义螺栓 直接使用ANSYS中创建体的命令创建一个圆柱和两个圆环，组合成螺栓，注意要将螺栓粘接起来 2、定义预应力 psmesh命令 使用功能：生成预拉伸剖面网格，创建并划分一个预紧截面 使用格式：PSMESH, SECID, Name, P0, Egroup, NUM, KCN, KDIR, VALUE, NDPLANE, PSTOL, PSTYPE, ECOMP, NCOMP SECID：唯一的剖面号，截面号，这个号应该没有被用。 Name：截面名字 P0：预紧（预拉伸）节点号码。如果不存在的话，将生成一个。确省的是最大号码数加1。Egroup, NUM PSMESH将操作的单元组，如果EGROUP=P，激活图形拾取，并且NUM被忽略（仅在GUI 的条件下有效） L（or LINE）-PSMESH在所有被NUM指定的线上的单元进行。新的预紧点附在NUM 或者它下面的实体上。任何后来对NUM的LCLEAR操作将删除预紧单元和PSMESH创建的节点 A（or AREA）-PSMESH在所有被NUM指定的面上的单元进行。新的预紧点附在NUM 或者它下面的实体上。任何后来对NUM的ACLEAR操作将删除预紧单元和PSMESH创建的节点 V（or VOLU）-PSMESH在所有被NUM指定的体上的单元进行。新的预紧点附在NUM 或者它下面的实体上。任何后来对NUM的VCLEAR操作将删除预紧单元和PSMESH创建的节点 P-PSMESH在所有后面选择的单元上进行，NUM被忽略。 ALL-命令在所有被选择的单元上进行，NUM被忽略。 KCN：分离面和法线方向所用的坐标系号 KDIR：在KCN坐标系下，分离面的法线方向（x，y，或Z） 如果KCN是笛卡尔坐标系，预紧截面的法线方向平行于KDIR轴而不管预紧节点的位置。 如果KCN非笛卡尔坐标系，预紧截面的法线方向坐标系KCN中，预紧节点处KDR的方向一致。 VALUE：在KDIR轴上，分离面的位置点。如果指定了NDPLANE将被忽略。 NDPLANE：已经存在的节点，PSMESH用来产生分离面的位置。如果NDPLANE被提供分离面的位置，有NDPLANE的KDIR坐标确定。 PSTOL：VALUE的任意的绝对容差。允许稍微高于或低于分离面的节点被包括。下面的表达式描述确省的值： ΔX,ΔY,ΔZ的平方和除以1000开平方 其中ΔX，ΔY,ΔZ是基于节点位置的模型尺寸。（既是， Xmax - Xmin). PSTYPE：如果被指定，这个值是预紧单元的单元类型号（如果不被指定，ansys定义这个值）如果已经被指定，必须是PRETS179。 ECOMP：如果被指定，是由新建的预紧单元和已经存在的被PSMESH改变的单元组成的组的名称（就是创建单元集合的名称）。 NCOMP：由新建的预紧单元的节点组成的组的名字（节点集合）。 使用提示：
联接螺栓的强度计算方法
一．连接螺栓的选用及预紧力： 1、已知条件： 螺栓的s＝730MPa 螺栓的拧紧力矩T= 2、拧紧力矩： 为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩 擦力矩T2。装配时可用力矩扳手法控制力矩。 公式：T=T1+T2=K* F* d 拧紧扳手力矩T= 其中K为拧紧力矩系数， F为预紧力N d为螺纹公称直径mm 其中K为拧紧力矩系数， F为预紧力N d为螺纹公称直径mm 摩擦表面状态K值 有润滑无润滑 精加工表面 一般工表面 表面氧化 镀锌 粗加工表面- 取K＝，则预紧力 F＝T/*10*10-3＝17500N 3、承受预紧力螺栓的强度计算： 螺栓公称应力截面面积As（mm）=58mm2 外螺纹小径d1=8.38mm 外螺纹中径d2=9.03mm
计算直径d3＝8.16mm 螺纹原始三角形高度h=1.29mm 螺纹原始三角形根部厚度b=1.12mm 紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。 螺栓的最大拉伸应力σ1(MPa)。 1s F A σ= =17500N/58*10-6m 2=302MPa 剪切应力： =1σ=151 MPa 根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力: =*302= MPa 强度条件： =≤*=584 预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s σ的80%。 4、 倾覆力矩 倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F 0。作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M 平衡。 已知条件：电机及支架总重W1=190Kg ，叶轮组总重W2=36Kg ，假定机壳固定， () 2031 tan 2 16 v T d F T W d ?ρτπ += = 1.31ca σσ≈[] 02 11.34F ca d σσ π =≤
ansys中螺栓的预紧力如何施加 我是初学者，螺栓中预紧力的施加不是很清楚，solve之后的预紧力方向为轴向（图见附件），我觉得不符合实际情况，是不是预紧力施加的方法不对啊，请各位指教 给螺栓加预紧力，必须先在螺栓上建立一个预紧力截面，然后在截面上施加预紧力，方向为轴向！在ansys帮助文件里有螺栓加载的例子，找找就能找到！ 把通过公式F=T/K*d的力值直接加在预紧力截面上。不过存在一个问题，就是利用公示所计算得到的预紧力数值较大，因此所计算出的应力结果也比较大。我查看过一些别的资料，有同行也讨论过这个问题，也认为应力结果与实际不太相符，偏大！所以有人认为K值应该较理论值大一点，取到0.3左右可能更接近实际！ 采用PSMESH命令定义预紧截面,用SLOAD命令加预紧力.可以在ANSYS里面搜一下,有这样的例子. ansys10自带的帮助文件里有一个例子，2.8. Defining Pretension in a Joint Fastener 大家可以参考一下，大家共同研究研究。 /prep7 /title, Sample application of PSMESH et,1,92 mp,ex,1,1e7 mp,alpx,1,1.3e-5 mp,prxy,1,0.30 mp,ex,2,3e7 mp,alpx,2,8.4e-6
mp,prxy,2,0.30 tref,70 /foc,,-.09,.34,.42 /dist,,.99 /ang,,-55.8 /view,,.39,-.87,.31 /pnum,volu,1 /num,1 cylind,0.5,, -0.25,0, 0,180 cylind,0.5,, 1,1.25, 0,180 cylind,0.25,, 0,1, 0,180 wpoff,.05 cylind,0.35,1, 0,0.75, 0,180 wpoff,-.1 cylind,0.35,1, 0.75,1, 0,180 wpstyle,,,,,,,,0 vglue,all numc,all vplot mat,1 smrt,off vmesh,4,5 mat,2 vmesh,1,3 /pnum,mat,1 eplot psmesh,,example,,volu,1,0,z,0.5,,,,elems CM,lines,LINE /dist,,1.1 cmplot /solu eqslve,pcg,1e-8 asel,s,loc,y da,all,symm asel,all dk,1,ux dk,12,ux dk,1,uz sload,1,9,,force,100,1,2 /title,Sample application of PSMESH - preload only solve 这是例子内容，有兴趣的可以研究研究。
高强螺栓预紧力的计算方法 基本介绍 所谓螺栓预紧力，就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。对于一个不确定的螺栓而言，一个螺栓可使用的最大预紧力与螺栓材料品种、螺栓材料热处理、螺栓直径大小等都有关系。 假设螺栓在压力容器密封端盖上起到密封预紧的作用，并且这个端盖上有均布同规格的若干只螺栓，那么，这若干只螺栓所能承受的最小预紧力之和必须大于密封容器中工质最高压力所产生的反作用力，否则压力容器端盖与器体之间的密封就无法保障。 在工程领域中，测定螺栓预紧力通常有一些技术方法。对于精度要求高的螺栓预紧力的测量，往往采取螺栓弹性变形量大小来测量并计算出预紧力大小。对于中等要求的螺栓预紧力的测量，通常选用力矩扳手（力矩扳手的种类目前较多，在此不作具体介绍），按照规定的力矩大小拧紧螺母即可。对于一般要求的螺栓预紧力测量，用的最多的方法就是根据手力拧紧螺母，便从此时开始，按规定要求用扳手拧转螺母若干个角（一个角为60度）来估测预紧力是否已经达到。 预紧的目的 预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。 高强螺栓预紧力的计算方法 Mt=K×P0×d×10－3 N.m K:拧紧力系数 d：螺纹公称直径 P0：预紧力 P0=σ0×As As也可由下面表查出 As=π×ds2/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径 ds=（d2+d3）/2 d3= d1－H/6 H：螺纹牙的公称工作高度 σ0 =（0.5～0.7）σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 （与强度等级相关，材质决定） K值查表：(K值计算公式略) 摩擦表面状况 K值 有润滑无润滑
高强度螺栓预紧力和拧紧力矩比较分析 在钢结构连接中经常使用高强度螺栓。高强度螺栓连接对于防止松动有良好的可靠性，尤其用于连接动载荷的构件。在高强度螺栓连接中，预紧力和拧紧力矩是一个很重要的参数。下面就高强度螺栓的预紧力及拧紧力矩进行探讨，以期得到合理的结果，在今后的设计中应用。 1 预紧力大小的确定 高强度螺栓预紧力的大小跟螺栓的材料及其横截面面积有关。所用材料需要经过调质处理以提高其机械性能，满足使用要求。国内高强度螺栓的材料一般为45钢、40B钢及40Cr钢。45钢用作级的螺栓，40B钢及40Cr 钢用作级的螺栓。 预紧力大小由下式计算： P=σ b F i （1-1） 式中σ b —高强度螺栓材料经热处理后的抗拉强度限， F i —螺栓的计算面积（按内螺纹直径计算），按下表取。 高强度螺栓的螺纹内径d 1和计算面积F i 螺栓公称直径M16 M18 M20 M22 M24 螺纹的内径(mm) 计算面积(mm2)149 182 235 292 2 拧紧力矩的计算 拧紧力矩是为了使螺栓产生预紧力，其大小由预紧力确定。 拧紧力矩由下式计算： M =（kg·m）（2-1）
式中 P —高强度螺栓需要的预紧力（t ）； d —高强度螺栓的公称直径（mm ）。 3 下面就国内外高强度螺栓，根据它们的材料的机械性能计算其预紧力和拧紧力矩，并进行比较和分析，从中找到适合我们应用的预紧力和拧紧力矩。 （1） 根据《机械设计手册》（机械工业出版社） 材料： 45钢，级；40B 钢，级 抗拉强度限：45钢，850kN/mm 2；40B 钢，1550kN/mm 2。 计算结果如下表所示。 预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N·m) （2） 根据《起重机设计手册》（辽宁人民出版社） 材料：45钢，级；40B 钢，级 抗拉强度限：45钢，850kN/mm 2；40B 钢，1550kN/mm 2。 计算结果如下： 预紧力F v (kN)及扭紧力矩M A (N·m)
1螺栓的预紧力可按下式计算： P0—预紧力 P0＝σ0×As As＝π×ds^2/4 ds—螺纹部分危险剖面的计算直径 2ds＝（d2＋d3）/2 d3= d1－H/6 H—螺纹牙的公称工作高度 σ0 ＝（0.5～0.7）σs σs—螺栓材料的屈服极限kgf/mm^2 （与强度等级相关，材质决定） 2 也可查表： 螺栓性能等级的含义 2007年11月23日星期五 14:29 钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。螺栓性能等级标号有两部分数字组成，分别表示螺栓材料的公称抗拉强度值和屈强比值。例如，性能等级4.6级的螺栓，其含义是： 1、螺栓材质公称抗拉强度达400MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.6； 3、螺栓材质的公称屈服强度达400×0.6=240MPa级性能等级10.9级高强度螺栓，其材料经过热处理后，能达到： 1、螺栓材质公称抗拉强度达1000MPa级； 2、螺栓材质的屈强比值为0.9； 3、螺栓材质的公称屈服强度达1000×0.9=900MPa级 螺栓性能等级的含义是国际通用的标准，相同性能等级的螺栓，不管其材料和产地的区别，其性能是相同的，设计上只选用性能等级即可。 强度等级所谓8.8级和10.9级
是指螺栓的抗剪切应力等级为8.8GPa和10.9Gpa 8.8 公称抗拉强度800N/MM2 公称屈服强度640N/MM2 一般的螺栓是用"X.Y"表示强度的， X*100=此螺栓的抗拉强度， X*100*（Y/10）=此螺栓的屈服强度 （因为按标识规定：屈服强度/抗拉强度=Y/10）
第25卷第1期山东科技大学学报(自然科学版)Vol.25No.1 2006年3月Journal of Shandong University of Science and T echnology(Natural Science)Mar.2006文章编号:1672-3767(2006)01-0057-03 利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究 李会勋1,胡迎春1,2,张建中3 (1.广西大学机械工程学院,广西南宁530004;2.广西工学院计算机工程系,广西柳州545006; 3.山东科技大学机械工程系,山东泰安271000) 摘 要:在螺栓联接的有限元分析中准确模拟螺栓的预紧力是一项复杂而困难的工作。论述了利用有限元技术在ANSYS中模拟螺栓预紧力的预紧力单元法、降温法和渗透接触法等方法。通过对比发现预紧力单元法能较好的模拟实际预紧力,从而为有限元分析中施加预紧力载荷提供了可靠的理论和应用依据。 关键词:AN SYS;预紧力单元法;降温法;渗透接触法 中图分类号:T H123.4 文献标识码:A Study on Simulating Bolt Pretension by Using ANSYS LI Hui-xun1,H U Ying-chun1,2,ZHANG Jian-zhong3 (1.College of M echanical Eng.,Guangxi Univers ity,Nanning,Guangxi530004,China;2.Dept.of Computer Science,Guangxi Pol y technic College,Liuzhou,Guangxi545006,China;3.Dept.of M echanical Eng.,S UST,Taian,Shandong271000,China) A bstract:I t is quite complex and difficult to simulate bolt pretension accurately in the analy sis of bolt joint by finite element method.Three methods such as the pretension element,decreasing temperature and pene-trative contact methods are discussed in ANSYS by using finite element technology.And comparisons of them find that pretension element method could be the best w ay to simulate the real bolt pretension,pro-viding a reliable theo retic and application bases for pretension loading in the analysis of bolt joint by using fi-nite element method. Key words:ANSYS;pretensio n element method;decreasing temperature method;penetrative contact method 受拉紧螺栓联接是机械结构中应用最广泛的联接方式。绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧,使联接在承受工作载荷之前,预先受到力的作用。这个预加作用力称为预紧力[1]。预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性,以防止受载后被联接件间出现缝隙或相对滑移[2]。对于有螺栓联接的机械结构有限元分析,如何将其施加于模型上,较好地模拟螺栓受力情况达到在有限元分析中的准确加载并得到正确的分析结果,有一定难度。本文采用预紧力单元法、温度法和渗透接触等方法在ANSYS[3]中模拟螺栓预紧力加载,对这三种方法进行了比较。 1 螺栓预紧力的计算 预紧力Q p的数值应根据载荷性质、联接刚度等条件确定。在使用中所施加的预紧力是由旋紧螺帽所施加的扭矩T给出,T可以使用测力扳手在旋紧螺帽时测出。拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面与被联接件(或垫圈)支承面间的摩擦阻力矩T2之和,即: T=T1+T2(1)螺旋副间的摩擦力矩为: T1=Q p d2 2 tg(ψ+φv)(2)螺母与支承面间的摩擦力矩为: T2= 1 3 f c Q p D30-d30 D20-d20 (3) 将(2)和(3)代入(1)得 收稿日期:2005-06-28 基金项目:广西青年科学基金项目(桂科青0447007) 作者简介:李会勋(1981-),男,河北石家庄人,硕士研究生,从事可靠性与优化设计方面的研究.
螺栓拧紧力矩计算书 一．相关计算参数： 螺栓规格 d mm 螺距 P mm 螺纹原始三角形高度H mm 外螺纹中径 d2 mm 外螺纹小径 d1 mm 计算直径 d3 mm 螺栓公称应力截面积As mm2 螺栓材料屈服强度s σ MPa 计算拧紧力矩 T Nm 二．计算内容： 根据要求，所需计算DN300及以上接管法兰所配螺栓拧紧力矩，故统计相关法兰如下： N1 N2 N4 N6 一效结晶器 DN1200 DN900 DN1200 DN600 二效结晶器 DN1200 DN1200 DN1200 DN600 三效结晶器 DN1200 DN1600 DN1200 DN600 APU 效结晶器 DN800 DN1400 DN800 DN600 根据管法兰相关标准，DN600所配螺栓为M33 DN800、DN900、DN1200所配螺栓为M39 DN1400、DN1600所配螺栓为M45 三．计算过程： 螺栓规格 d d=33 螺距 P P=3.5 螺纹原始三角形高度H 031.35.3866.0866.0=?=?=P H 外螺纹小径 d1 21.29031.3852338521=??-=??-=H d d 外螺纹中径 d2 73.30031.383 2338322=??-=??-=H d d 计算直径 d3 7.28031.36 1 21.296113=?-=?-=H d d 螺栓公称应力截面积As 14.69327.2873.30414.3242 232=?? ? ??+?=??? ??+?∏=d d A s 螺栓材料屈服强度s σ 114 计算拧紧力矩 T 91.31210003314.69311412.012.0=÷???=???=d A T S S σ 通常取计算值的0.8倍左右作为实际应用的拧紧力矩值
ANSYS教学算例集 螺栓预紧分析 撰写：孟志华 审核： 校对： 2018年09月30日
关键字：螺栓预紧力、接触、线体 算例来源：Mechanical_Advanced_Connections教程案例 目录
1. 摘要 本算例主要介绍了螺栓的模拟，模型由螺栓、法兰、垫片组成，螺栓的模拟又分为实体与线体螺栓，并比较了两种分析模型的结果。还介绍了螺栓预紧力的施加需要分成三个载荷步，以方便查看螺栓预紧力结果，并对垫片与法兰之间的绑定接触与粗糙接触进行了结果对比，非线性结果更符合实际情况。 本例针对螺栓的模拟具有借鉴和指导作用。 2. 案例描述 本案例几何包含：螺栓、法兰、垫片。 如上图，两个法兰通过螺栓连接在一起，螺栓与法兰之间建立接触，垫片独立划分网格，并与两端法兰分别接触。本案例将分别计算3D螺栓体与线体简化螺栓两种螺栓仿真方式，并进行结果对比。 所有零件的材料均为ANSYS材料库中默认提供的钢材料，弹性模量为 2.1×10e5 MPa，泊松比为0.3，密度是7.85×10 e-9 t/mm 3。
该分析分为三个载荷步，边界条件：侧面与底面为无摩擦支撑，第三个载荷步中，上端受力1048lbf，来模拟端盖负载；内壁受压力1000psi。 3. 操作步骤 3.1. 启动ANSYS Workbench，打开已有的分析文件 （1）首先启动ANSYS Workbench环境。在【File】下拉菜单点击Restore Archive，打开分析文件压缩包“WS3a-bolt.wbpz”，然后保存为“WS3a-bolt.wbpj”文件。
（2）打开该文件后，Workbench环境的起始界面，包含了两个静力分析的流程，一个3D多体螺栓分析，一个线体螺栓分析，如下图。 3.2. 启动分析流程，进入Mechanical界面查看设置 （1）确定目前处于Workbench的起始界面【Project】，即“主页”。 （2）修改单位制为U.S.Customary。
接触 Hypermesh Step 1: Launch the ANSYS Contact Manager 1. Click the Contact Manager... button on the Utility Menu. The Ansys Contact Manager dialog is displayed at the top-left corner of the screen. At this point, you may want to adjust the size of the HyperMesh window. Step2: Create a new 3D contact 1. Click New.. to create a new contact. The Create New Contact Pair dialog is displayed. 2. Under Creation method choose Flexible. 3. Under Contact type choose 3D. 4. Under Create from choose Surface to surface. Step 3: Select the target body component 1. Click Pick Target… to choose the target body component. The HyperMesh target selection panel is shown.
2. Click the yellow comps button. 3. Select the component named anzhuangban 4. Click select and click proceed. The faces of the selected target body are extracted and displayed as shown below. Step 4: Select the target surface elements 1. In the Target Elements Selection dialog, click the yellow Elements button twice. Target Elements is selected.
ANSYS使用技巧（二）螺栓预载荷定义 1、定义螺栓 直接使用ANSYS中创建体的命令创建一个圆柱和两个圆环，组合成螺栓，注意要将螺栓粘接起来 2、定义预应力 psmesh命令 使用功能：生成预拉伸剖面网格，创建并划分一个预紧截面 使用格式：PSMESH, SECID, Name, P0, Egroup, NUM, KCN, KDIR, VA LUE, NDPLA NE, PSTOL, PSTYPE, ECOMP, NCOMP SECID：唯一的剖面号，截面号，这个号应该没有被用。 Name：截面名字 P0：预紧（预拉伸）节点号码。如果不存在的话，将生成一个。确省的是最大号码数加1。 Egroup, NUM PSMESH将操作的单元组，如果EGROUP=P，激活图形拾取，并且NUM被忽略（尽在GUI的条件下有效） L（or LINE）-PSMESH在所有被NUM指定的线上的单元进行。新的预紧点附在NUM或者它下面的实体上。任何后来对NUM的LCLEA R操作将删除预紧单元和PSMESH创建的节点 A（or AREA）-PSMESH在所有被NUM指定的面上的单元进行。新的预紧点附在NUM或者它下面的实体上。任何后来对NUM的ACLEA R操作将删除预紧单元和PSMESH创建的节点 V（or VOLU）-PSMESH在所有被NUM指定的体上的单元进行。新的预紧点附在NUM或者它下面的实体上。任何后来对NUM的VCLEA R操作将删除预紧单元和PSMESH创建的节点 P-PSMESH在所有后面选择的单元上进行，NUM被忽略。 ALL-命令在所有被选择的单元上进行，NUM被忽略。 KCN：分离面和法线方向所用的坐标系号 KDIR：在KCN坐标系下，分离面的法线方向（x，y，或Z） 如果KCN是笛卡尔坐标系，预紧截面的法线方向平行于KDIR轴而不管预紧节点的位置。 如果KCN非笛卡尔坐标系，预紧截面的法线方向坐标系KCN中，预紧节点处KDR的方向一致。 VA LUE：在KDIR轴上，分离面的位置点。如果指定了NDPLANE将被忽略。 NDPLANE：已经存在的节点，PSMESH用来产生分离面的位置。如果NDPLANE被提供分离面的位置，有NDPLANE的KDIR坐标确定。 PSTOL：VA LUE的任意的绝对容差。允许稍微高于或低于分离面的节点被包括。下面的表达式描述确省的值： ΔX，ΔY,ΔZ的平方和除以1000开平方 其中ΔX，ΔY,ΔZ是基于节点位置的模型尺寸。（既是，Xmax - Xmin). PSTYPE：如果被指定，这个值是预紧单元的单元类型号（如果不被指定，ansys定义这个值）如果已经被指定，必须是PRETS179。 ECOMP：如果被指定，是由新建的预紧单元和已经存在的被PSMESH改变的单元组成的组的名称（就是创建单元集合的名称）。
螺栓预紧力标准 各单位： 近来发现许多维修人员在设备维修时，对设备连接螺栓扭力力矩要求不清楚，使用的扭力不规范，易造成维修缺陷及故障隐患，为加强设备连接螺栓的紧固规范，提高维修质量，现要求维修员工在维修中，螺栓的预紧力矩一律按以下力矩表严格执行。 特殊设备螺栓紧固要求及紧固力矩一；水泥磨辊压机锁紧盘螺栓紧固要求及紧固力矩：先用1/3的力矩，对角交叉均匀扭紧，再用1/2的力矩对角交叉均匀扭紧，然后用总力矩对角交叉均匀扭紧，最后用总扭力矩，按圆周顺序紧固一遍完成，（注：该螺栓的总力为1100N.m）。 二；生料辊压机锁紧盘螺栓紧固要求及紧固力矩：先用1/3的力矩，对角交叉均匀扭紧，再用1/2的力矩对角交叉均匀扭紧，然后用总的力矩对角交叉均匀扭紧，最后用总扭力矩，按圆周顺序紧固一遍完成，（注：该螺栓的总力为1640N.m）。 三：皮带输送机，提升机及其他辅机减速机锁紧盘螺栓紧固力矩表
紧固要求：先用1/2的扭力力矩对角交叉紧固，最后用总扭力按圆周顺序依次紧固。直到所有的力满为止。 四：斜拉链机连接螺栓更换及使用力矩：在更换齿片时，一定要同时更换相应的紧固件，而且必须使用扭力扳手，头部螺栓力矩为1080N.m ；尾部螺栓为630N.m。 五：钢丝胶带提升机夹板螺栓及料斗螺栓的紧固方式及力矩： 胶带夹板紧固力矩表 1：防松螺母紧固力100N.m。 2：在操作期间，紧固力矩可减少到200N.m，如果检查时发现低于200N.m，固定螺母应重新紧固到300N.m. 3紧固顺序： 第一行..........9 5 1 3 7 11 第二行.........10 6 2 4 8 12 注：提升机调试运行第一年内，必须在带载运行六个阶段12小时，72小时，2周，1个月，3个月，6个月，对带夹连接螺栓进行紧固。（力矩按照上表），并
产品: ABAQUS/Standard ABAQUS/CAE 概览 装配载荷： ?能用来模拟结构中的紧固载荷 ?施加在用户定义的预紧截面上 ?施加在与预紧截面相关的预紧节点上 ?需要预紧载荷的指定或紧固调整 装配载荷的概念 下图是一个简单的例子来解释装配载荷的概念。 图1 装配载荷示例 容器A是由螺栓预紧力压在盖子上来密封的，中间有一垫子，如图1所示。在standard中，预紧的模拟是通过在螺栓内添加一个“切割面”或预紧截面，并使其承受一拉伸载荷实现的。通过修改预紧截面一侧的单元， standard可以自动调整预紧截面上螺栓的长度，以获得想要的预紧力值。后续的分析步中可以防止螺栓长度的进一步改变，以使相对于装配件内的其他载荷，螺栓是作为标准的变形组件存在。 创建装配载荷 ABAQUS/Standard允许通过实体单元、杆单元或梁单元定义紧固件件的装配载荷。分析步中定义装配载荷不会随着单元类型的不同而显著不同。 1、使用实体单元创建预紧 在实体单元中，预紧截面是在螺栓内、将螺栓切割成两部分的一个面(见图2)。对于有几个不同片段组成的紧固件，预紧截面可以是一组面。
图2 使用连续单元定义的预紧截面 基于单元的面包括单元和表面信息。必须将该面转化成预紧截面以便预紧载荷能施加在该截面内的控制节点上。 输入文件：使用下列选项来创建基于实体单元的预紧截面： *SURFACE，TYPE=ELEMENT，NAME=面的名称 *PRE-TENSION SECTION，SURFACE=面的名称，NODE=节点编号 ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load。 1)对齐控制节点到预紧截面 装配载荷通过预紧截面上的预紧节点传递。预紧节点不属于模型中的任何单元。它只有一个自由度(自由度1)，该自由度表示切割面法向两侧的相对位移，见图3。该节点的坐标或位置并不重要。
强度等级 4.8 6.88.810.912.9螺栓预紧力对照表最小破断 强度 392 Mpa 588 Mpa 784 Mpa 941Mpa 1176 Mpa 材质一般构造用钢机械构造用碳钢铬铝合金钢镍铬铝合金钢镍铬合金钢螺栓对边mm 6～12扭距值N.m M611 612M813 8～1516～30M1017 18～3036～63M1219 30～4770～110M1422 6998137165225M1624 98137206247363M1827 137206284341480M2030 176296402569480M2232 225333539765911M2436 3144706869811176M2741 441637102914721764M3046 588882122519622352M3350 7351127147020602450M3655 9801470176424532940M3960 11761764215629433626M4265 15192352274438264606M4570 17642744313644155390M4875 22543430392055926664M5280 27444116470465738330M5685 352851495978843710290M6090 4018597877421079113230M6495 499874488820M68100 5684852610780M72105 6468980012642M76110 73501078014710M80115 81431225018130M85120 88201372022050105841617024500M90130 M100145 1372020090M110155 1636624990M120175 1989429890 M125180 注：1、上表为德国工业标准；表中扭矩值为螺栓达到屈服极限的70%时所测定