螺栓联接接触问题有限元分析作者：王熙婷来源：《工业技术创新》2017年第06期摘要：研究螺栓联接结构形式复杂接触的承载特性，对比分析螺栓简化前后连接件受力和位移变化情况。
在三维图形设计软件Pro/E中构建模型，导入有限元软件ABAQUS中进行模拟仿真。
螺栓联接装配体连接件在与螺栓接触的位置易发生应力集中，且应力分布梯度变化较大；在远离螺栓联接的位置，简化前后应力分布相差不大；螺栓联接简化前后位移变形分布云图基本相同。
关键词：螺栓联接；接触问题；有限元分析；Pro/E；ABAQUS中图分类号：O343.3 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 06-011-04工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.06.003引言螺栓联接是机械装配体中应用最广的一种结构形式，通过螺栓将两个连接件连接在一起，形成一个整体传递力与扭矩。
对螺栓联接的承载特性进行研究，能够更好地指导螺栓联接结构形式的智能制造。
ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。
ABAQUS不但可以进行单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究[1]。
对整个螺栓联接装配体进行有限元分析时，为节约计算资源，常常简化模型，将两个连接件接触面Tie在一起，这对模拟分析结果必然产生影响。
本文采用ABAQUS对比螺栓简化前后连接件受力和挠度变化情况，以及确定使用简化分析模型的前提条件，为螺栓联接结构形式的应用提供理论依据。
1 模型构建在任何一个大型设备中，螺栓联接是其必然存在的结构形式。
本文采用两个螺栓联接两块连接板的情形作为分析对象，其中一块连接板作为固定板，另一块连接板作为加载板。
该装配体在三维图形设计软件Pro/E中建立，完成后的模型如图1所示。
2 有限元模拟2.1 几何模型转化在Pro/E中建立的螺栓联接装配体几何模型，通过中间软件UG NX对细小结构进行修改和简化，保存文件为中间过渡格式.step，使修改后的模型能够满足进行有限元模拟的要求。
塔式起重机塔身高强度螺栓连接的力学模型及有限元分析杨华平1，徐惠余2，王一华2，文燕荣2（1.湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105；2.江麓机电科技有限公司，湖南湘潭411100）［摘要］对螺栓的连接特性进行了阐述，详尽分析了塔式起重机标准节高强度螺栓连接的力学状态，并建立了有限元模型，采用数值分析方法，对其连接特性进行了评估，弥补了工程分析不足。
［关键词］塔身标准节；高强度螺栓；有限元［中图分类号］TH213.3 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2011）07-0077-03 Mechanical model and finite element analysis of mast section connecting bolt with highstrength for tower craneYANG Hua-ping，XU Hui-yu，WANG Yi-hua，WEN Yan-rong塔式起重机的塔身大多是由标准节通过高强度螺栓连接的（如图1），高强度螺栓直接影响着结构的承载能力、使用寿命与安全性能，所以对塔式起重机标准节高强度螺栓连接进行力学分析和有限元计算尤为重要。
图1 塔身标准节的高强度螺栓连接1 螺栓连接的力学特性螺栓在使用中要求具有良好的旋合性和可靠的连接强度。
塔身的连接螺栓组为了提高结构的整体性，防止接触面的脱离，通常都加有相当大的预紧力。
在工作状态中，螺栓和连接套承受着交变载荷，对于任一特定的时刻，螺栓始终处于拉伸状态，而连接套则处于压缩状态，因此可以把螺栓连接视为一个弹性体系，图2表示其受力特性。
图2b中的表示这个连接体系只作用预紧力的情况。
此时，螺栓中所受的拉力和连接套结合面所受的压［收稿日期］2011-04-18［通讯地址］王一华，湖南省湘潭市解放北路4号湖南江麓重型装备有限公司力均等于预紧力。
设螺栓的弹性系数为k1（N/m），法兰的弹性系数为k2（N/m），△1、△2分别表示螺栓和连接套在预紧力作用下的变形，在无外载荷作用的情况下，螺栓的预拉力F1等于连接套的预压力F2，即预紧力F1=F2=k1△1=k2△2（1）当外载荷为拉力时，螺栓进一步拉长，连接套的压缩量减少，螺栓的伸长值和连接套压缩量的减少值相等，用△表示（见图2c）。
螺纹连接预紧力有限元分析及实验研究摘要：本文运用有限元理论，以ANSYS软件为分析平台，建立了螺栓连接的有限元模型，分析了螺栓在预紧过程中各圈螺纹副的受力情况，通过积分求得了螺纹副间的摩擦力矩，确定了预紧力与预紧力矩之间的关系，并通过实验进行了验证，得到一个可以应用到工程实际中的预紧扭矩系数值，为提高扭矩法控制螺纹连接预紧力的精度和建立各种型号螺栓连接的预紧力—扭矩关系数据库奠定了基础。
关键词：螺纹连接预紧力扭矩系数有限元1 引言螺纹连接结构简单，拆装方便，是机械结构中应用最广泛连接方式。
受轴向预紧力的螺纹连接应用最为广泛。
施加合适的螺纹连接预紧力，能提高结构的承载能力、改善结构的应力分布、增加结构的工作可靠性。
预紧力过大，将导致结构承载能力的下降，螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂；预紧力不足，被连接件在载荷作用下会产生间隙或松动，改变螺栓的受力状态，降低螺栓强度，降低疲劳强度。
预紧力控制不均匀，将导致螺栓受力不均，个别螺栓超过设计载荷，导致螺栓组整体强度下降，整个机械结构、设备安装连接失效。
因此，预紧力控制对机械结构显得尤为重要。
目前控制螺纹预紧力的方法有四种，即螺栓伸长法，扭矩法，扭矩—转角法和屈服点法。
螺栓伸长法、屈服点法这二种方法因为其工程实用性差，控制成本高，现在只在实验室研究中应用；扭矩-转角法则因其设备昂贵，并且应用起来不方便，主要应用于发动机缸盖联接等重要特殊部位。
扭矩法在工程中应用最方便、最广泛，经济性最好，但控制精度需要提高。
目前，通过力矩控制法来控制预紧力是经济型最高的控制方法，并且大范围的应用，但是在通过预紧力与预紧扭矩的关系，求取扭矩系数K值的时候，螺纹连接采用的是简化模型，认为整个螺旋副上的受力均等，这个模型有很大的局限性，因为实际情况，每圈螺纹的受力情况都是不同的，从而求得的K值不准确，从而预紧后得到预紧力的离散度大，使得扭矩控制法的精度受到影响。
往往在实际操作中，有很多螺纹没有达到预紧目的，对设备运行的可靠性影响很大。
1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一.其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。
在航空机载环境下，由于振动冲击的影响,设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。
螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性.传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化.没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。
通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷.用有限元分析软件MSC。
Patran/MSC。
Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确,结果更可靠。
因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛.2 有限元模型的建立对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。
多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接.在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent），另外一个节点为主节点(Independent)。
主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。
比例因子选为1，使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用.梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam,其能承受拉伸、剪切、扭转。
通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致.本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
2.1 几何模型如图1所示组合装配体，底部约束。
两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定.端面受联合载荷作用。
图1 三维几何模型2。
2 单元及网格抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元(shell），设置壳元厚度等于实际壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。
在法兰上下两节点之间建立多点约束单元（RBE2，算例1，图3）或梁元(Beam, 算例2,图4)来模拟该位置处的螺栓连接。
