ANSYS高级接触和螺栓预紧培训手册

Ansys螺栓预紧力模拟螺栓连接是机械设计中比较常见的一种连接固定方式，为了保证连接的可靠性，需要通过拧紧螺栓的方式施加必要的预紧力来防止螺纹松脱，本文通过一个简单的实例来计算螺栓的预紧力，以及模拟螺栓连接受到预紧力时的应力应变情况。

一、建立CAD模型在CAD中建立以下螺栓连接模型，钢板在中间，螺栓和螺母上下锁死。

螺纹规格为M10 x 1.5，为了简化，没有对螺纹进行建模：二、校验最大预紧力和锁紧扭力根据以下公式校验螺栓能够承受的最大预紧力：安全系数取1.5，结构钢屈服应力为250MPa，螺纹大径为10mm 可以得到最大预应力为P = 0.67*(250x3.14/4*100)=13,155KN根据以下公式计算该螺栓可以承受的最大扭力：T = 0.2*0.01*13155 = 26.3Nm.三、设立边界条件1）将模型导入Ansys workbech, 将三个零件的材料设为结构钢。

2）接触面设置：a. 将螺栓和钢板的接触设置为“Friction”，摩擦系数设为0.15。

b. 将螺母和钢板的接触设置为“Friction”，摩擦系数设为0.15。

c. 将螺栓和螺母的螺纹连接设置为'Bonded'，接触行为设为非对称“Asymmetric”，打开修剪接触，将公差设为1mm：3)预紧力设置：首先设置预紧力施加的位置，需要先建立一个坐标系，这里选择钢板上下面作为参考面，生成的坐标系会坐落在钢板的中间平面。

然后选择螺栓body，选择刚建立的坐标系，设置预紧力大小为5KN。

注意预紧力那两个箭头要跟螺栓的中心轴方向一致，箭头所指的位置就是预紧力作用的位置。

预紧力作用的位置4）网格设置基础网格大小设为2.5mm，追加接触面网格细化（0.5mm）和螺栓细化(1.5mm）。

5）约束设置：将钢板四周面设为固定面。

四、求解器设置和结果求解步骤需要设为两步在预紧力中将第一步设为Load 5KN, 第二步设为Lock整体形变，注意到最大变形发生在预紧力施加的位置：整体应力分布：螺栓应力分布，最大应力在根部：安全系数分布：变形动画，可以看到螺栓和螺母在锁紧扭力的作用下相对移动，这个与实际操作相符。

－面接触单元
Training Manual
M
L
K
I
J
Contact49 - 3D 点 －面接触单元
October 15, 2001 Inventory # 001567
8-4
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
8-10
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
...点－面接触单元
• 可以采用 NUMC 或 RADC 特性减少生成的单元数量.
Training Manual
October 15, 2001 Inventory # 001567
8-11
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
– 指定接触面和目标面的规则与面－面接触单元一致.
K
接触节点
I
J
目标节点
October 15, 2001 Inventory # 001567
8-8
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
...点－面接触单元
Training Manual
• 指定单元类型和实常数，生成接触单元. 每一单独的接触区应具有 单独的实常数号.
• MU = 动摩擦系数. • FACT x MU = 静摩擦系数.
• 剪切刚度用于弹性库仑摩擦.
– 缺省情况下，剪切刚度等于法向刚度的 1% . – 剪切刚度不能在重启动中更新.
• 单元不提供偏移功能.
– 用这些单元尚无法模拟梁和壳的厚度效应.

4-8
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
... 摩擦
刚性库仑摩擦: 只允许滑动摩擦. 接触响应不能是“粘着”
– 此模型只适用于分析同一方向上的连 续滑动. • 例如砂轮打磨物体时.
– 在u = 0 时的不连续等效于无限刚度. 如果滑动停止或反向会出现收敛困难.
h Inventory # 001567
4-3
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
... 摩擦
Training Manual
• 实际摩擦是一个复杂的现象，它是下面因素的函数:
– 接触材料 (包括润滑剂). – 表面粗糙度. – 温度. – 物体的相对速度.
• 摩擦的机制至今尚未完全弄清.
弹性库仑摩擦模型（续）: 允许粘着和滑动
FT mFN
KT u
Training Manual
– 粘着区被处理为弹性的，并具有剪切刚度 KT.
• 剪切刚度具有与正刚度相同的效果: 刚度大时精度高，刚度小时收敛性好. • 可以指定 KT, 或由程序指定 KT 为 KN的分数 (通常为 KN的 1% ).
h Inventory # 001567
||
TAUMAX
m
TAUMAX 的一个估计上限为:
y 3
式中 y 是接近表面的材料的等 效 Mises 屈服应力 . 经典数据 通常是TAUMAX 比较好的初始
p 值.
h Inventory # 001567
4-7
Advanced Contact & Bolt Pretension 6.0
... 摩擦
第四章
摩擦

May 16, 2005 Inventory #002256 11-12
螺栓预紧
...一般过程
• 可以进行如下操作删除预拉伸单元:
– Preprocessor > Modeling > Delete > Pre-tens Elemnts
• ANSYS会自动删除预拉伸单元并在切割处合并节点.
– 然而,预拉伸节点K并没有被删除
预载荷方 向
• 可以是任意位置.
• 有一个自由度: UX.
• 用来定义预载荷FX或UX. • 作用线为预拉伸载荷方向
K
节点 I 预拉伸面
螺栓 — 实体, 壳 或梁
May 16, 2005 Inventory #002256 11-5
螺栓预紧
…PRETS179单元
• 预拉伸单元特征:
– 预载荷方向固定 – 旋转时仍保持不变 – 无材料属性或关键选项 – 和螺栓相连接的单元可以是实体、壳体或梁，高阶的或低阶的 – 使用GUI方式自动生成单元
• 下面我们详细讨论3、4两步.
May 16, 2005 Inventory #002256 11-7
螺栓预紧
...一般过程
创建预拉伸单元 • 在所有结构都划分好网格后的下一步创建预拉伸单元. – 使用PSMESH
• 紧固件必须作为一个零件划分网格.
• 两个选项:
• PSMESH将把紧固件切割成两部分并使用预拉伸单元生成预拉伸截面.
…螺栓预紧
• 尽管预拉伸单元存在接触问题，但该章节我们主要讲解如何预拉伸 螺栓
• 该章包括以下几个主题:
A. PRETS179 单元 B. 一般过程 C. Workshop
May 16, 2005 Inventory #002256 1