ansys螺栓连接的处理方法

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螺栓连接抗滑移系数的试验确定方法

作者：孙孝博 张勇军 田堂冰

来源：《山东工业技术》2019年第08期

摘 要：高速铁路列车的结构设计中，螺栓连接被广泛采用，被连接部件可能为不同材料或不同表面处理方式。为保证螺栓连接计算的准确性，正确的螺栓连接抗滑移系数需要被确定。本文研究和阐述了一种螺栓连接抗滑移系数的试验确定方法。

关键词：高速铁路列车；螺栓连接；抗滑移系数

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.08.006

1 绪论

高速铁路列车的结构设计中，螺栓连接被广泛采用，被连接部件可能为不同材料或不同表面处理方式。例如为增大抗滑移系数，直接将被连接件表面按一定的粗糙度进行处理，得到较为粗糙的表面；也可以在被连接件之间增加表面进行粗糙处理的垫片。再例如铝材为防止与异种金属贴合，发生电化学腐蚀，表面进行了涂层处理。为保证螺栓连接计算的准确性，正确的螺栓连接抗滑移系数需要被确定。本文研究和阐述了一种螺栓连接抗滑移系数的试验确定方法。

2 试验原理 试验方法

抗滑移系数也就是力学中的静摩擦系数。

静摩擦力跟滑动摩擦力不一样，它不是一个定值，其值。对于静摩擦力，其产生原因是因为物体间有相对运动的趋势时，交错点间就会产生阻碍作用，相对运动趋势越大起阻碍作用的交错点的数量就会越多，阻碍作用就会越明显，所以此时的静摩擦力就会变大，直到物体开始相对滑动，静摩擦力变为滑动摩擦力。

最大静摩擦力比滑动摩擦力稍大，所以最大静摩擦力会比滑动摩擦力稍大些。最大静摩擦力与静摩擦系数和正压力成正比，，其中静摩擦系数比动摩擦系数稍大，因为当外力等于动摩擦力时，物体受力还是平衡的，要使物体运动，就必须增大外力。

一些常用材料之间的摩擦系数可以在相关技术文献中查到， 对于在现有技术资料中无法查到的特定材料，可以采用下面的试验方法来测定静摩擦系数，也就是螺栓连接中的抗滑移系数。 龙源期刊网

ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件中两种螺栓连接仿真方法的研究　

口兰夏燕　口万舟　口李进　口唐高峰　

１．昆明理工大学信息工程与自动化学院　昆明　６５０５００　

２．武汉第二船舶设计研究所　武汉４３００６４　

摘　要：ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件中有ＭＰＣ法和螺纹区域法可以对螺栓连接进行仿真分析。两种方　

法均不需要详细螺纹几何形状和精细网格，且能显著节省计算求解时间。对两种方法进行了研究，得出　

了各自的特点与适用场合。　

关键词：螺栓计算机仿真　

中图分类号：ＴＨ１３１．３　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—４９９８（２０１７）０６－００５９－０４　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＭＰＣ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｒｅａｄ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｆ　ｂｏｌｔ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．Ｂｏｔｈ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｄｏ　ｎｏｔ　ｒｅｑｕｉｒｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｔｈｒｅａｄ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ａｎｄ　ｆｉｎｅ　ｇｒｉｄ，　

ａｎｄ　ｃａｎ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｏｌｖｉｎｇ．Ｂｏｔｈ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ　

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　

Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｂｏｌｔ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

螺栓连接具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优　

点，是一种广泛应用于两个或多个部件的可拆卸连接，　

以形成机械结构。对于大而复杂的机械结构，螺栓连接　

的详细仿真建模是较难的，因为螺栓与整个结构相关　

联，分析受限制，计算成本也高　。因此，在工程上很　

有必要对螺栓构件的真实受力情况进行简化分析研　

究。为了实现螺栓连接结构的预期物理行为，需要建立　

ANSYS梁体组合连接计算方法的讨论

在有限元分析中，常常需要采用桿梁、板壳、实体单元之间的组合建模以实现对实际工程结构的模拟，这就需要考虑不同单元间的连接。文章讨论了梁体连接中cerig命令、ceintf命令以及MPC算法的差异，并通过相关算例进行了对比，总结了各种方法的优缺点及适用范围。

标签：ANSYS；梁单元；壳单元；实体单元；单元连接

1 概述

有限元分析中，实体单元在理论上可以用于各个结构的模拟。而实际工程中的结构是十分复杂的，若都采用实体单元进行模拟，首先是建模困难，效率低下；其次是划分网格后节点众多，造成求解代价巨大，并且有些结构，如板壳结构、杆梁结构，采用实体单元分析的精度并不理想。因此，建模分析时常常是采用“杆梁壳体”组合模拟。因为自由度不协调的问题，采用ANSYS分析时，需要处理各个单元之间的连接。而壳体、梁体、壳梁的组合是经常要用到的，比如桥梁工程中墩台与桥面板之间的连接，根据分析精度的不同可以选择梁体或壳梁组合。

在梁体的组合建模中，梁体之间只要有公共节点就可以连接，不需要约束方程。而梁体之间有公共节点的连接是铰接，不是刚接。要实现其他形式的连接，则必须通过耦合自由度来实现连接，或通过MPC算法实现连接。

2 ANSYS中的实现方式

2.1 耦合与约束方程

对于不同单元之间的连接问题，常用的办法是耦合自由度或写约束方程。耦合自由度是指：使两个或多个自由度“相等”，耦合集中包含一个主自由度和多个从自由度，只有主自由度保存在矩阵中，而其他自由度则删除，所以耦合自由度实际上是降低了平衡方程的个数。而约束方程就是把某个节点的自由度与其他一个或多个节点的自由度通过“方程”联系起来。约束方程可以代替自由度耦合，并且比自由度耦合更加通用。Cerig与Ceintf命令都是通过自动生成约束方程这种方式实现连接。

2.2 MPC多点接触算法

Multi-Point Constraints即多点约束方程。它定义了一种节点自由度之间的耦合关系，使用内部生成的约束方程在接触面上保证变形协调，以一个节点的某几个自由度为标准值，将其它节点的指定自由度与这个标准值建立关系。多点约束采用接触单元实现，可以通过keyopt的设置处理一些特定的连接问题，比如刚性连接、铰接，除此之外还可用于连接非协调网格，施加远端载荷等。

螺栓结合面的建模方法及模态分析

摘要：根据对结合面的处理方法的不同，采用了有限元分析软件ANSYS建立了不同的螺栓结合面的有限元模型。在不同的螺栓预紧力情况下，对各个模型的进行了模态分析，得到了固有频率。通过分析数据结果，总结了不同的结合面建模方式对系统的模态分析的影响。

关键词：螺栓结合面；模态分析；固有频率；预紧力

引言

机械结构中零件、组件和部件相互接触的表面称为结合面，它在机械结构中大量地存在，使机械结构或系统不再是一个连续的整体。 根据运动方式分类，结合面分可以分为为三类。第一类固定结合面，如螺纹联接面、铆钉联接面、销联接面和焊接联接面等；第二类是半固定结合面，如摩擦离合器的联接面[1]；第三类是运动结合面，如齿轮和链轮的啮合面、丝杠螺母的联接面、轴承联接面和导轨联接面等。本文研究的螺栓结合面是属于固定结合面，主要起联接固定的作用。在机械结构中，螺栓结合面是应用广泛的一种连接方式，影响着整个系统的静态特性和动态特性，因此螺栓结合面的分析研究具有十分重要的意义。

随着电子计算机的迅速发展，有限元分析法的应用越来越普遍。它是一种有效的数值分析方法，首先应用于连续体力学领域，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题[2]。ANSYS是有限元分析领域的大型通用软件之一，提供了用来模拟各种结构和材料的单元类型、多种有限元分析功能模块。它不但能用于对结构、热、磁场、流体等单独研究，还能用于热-结构耦合和、流体-结构耦合等。本文主要用ANSYS对螺栓结合面结构进行动力学分析的模态分析，应用计算结构的固有频率。

1.模态分析的原理

动力学分析类型包括瞬态动力学、谐响应分析、模态分析和谱分析。其中，模态分析是其它动力学分析的基础，用于确定结构的固有频率和振型，能使设计的结构避免共振。模态分析的求解是针对下面的运动方程：

上式的矩阵特征值即为系统的固有频率 ，系统的模态分析就是求解矩阵特征值和特征向量的问题。