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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。
机械 2010年第5期 总第37卷 计算机应用技术 ・31・———————————————收稿日期：2009－12－06作者简介：李波（1981－），湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向为机械结构分析。
螺栓螺纹三维接触有限元分析李波（华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074）摘要：在对螺栓螺纹的分析中，一般采用的方法是将螺栓简化为轴对称，建立轴对称有限元模型进行分析，即使是建立三维模型也是忽略了螺纹部分对整个有限元模型分析的影响。
在一些特殊的分析情况下，这样会大大降低分析的精度。
比如，在对螺栓螺纹防松机理方面的研究中，就必须考虑螺纹部分及其接触对整个分析过程的影响，而采用单一的有限元软件又很难完成。
正是基于这一原因，根据UG 、HyperMesh 和ANSYS 软件的特点，综合运用其长处可以完成螺栓螺纹从几何建模、网格划分、分析计算到结果处理的整个过程．实例表明，综合运用各种软件，有利于发挥每种软件的优点，大大提高有限元分析的效率。
关键词：螺栓螺纹；UG ；HyperMesh ；ANSYS ；三维接触中图分类号：TH131.3 文献标识码：A 文章编号：1006－0316 (2010) 05－0031－03Three-dimensional contact ofthreaded bolt finite element analysisLI Bo(Mechanical Engineering College ，Huazhong University of Science and Technology ，Wuhan 430074，China) Abstract ：Generally, we using axis symmetry in the screw thread of bolt finite element analyse. Even though, neglecting the effect of screw thread to the whole three-dimensional finite element model. Reducing precision in some special occasion. For instance ,in research of preventing screw thread of bolt from loosening, it must take into account of the compact of the screw thread and the contact. But it hard to accomplish the mission in using single software. With the issues that finite element analysis using single software is complicated and low efficient ，the UG ，HyperMesh and ANSYS softwares are synthetically applied in the course of modeling ，plotting finite element grids ，calculating and analyzing ，and result dealing based on their respective characteristic ．The example indicates that the comprehensive application of various finite element softwares can exert their corresponding advantages and make the analysis more efficient ．Key words ：threaded bolt ；UG ；HyperMesh ；ANSYS ；three-dimensional contact有限元法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
紧螺栓连接的有限元模拟仿真研究为简化传统力学对螺栓进行强度校核的计算过程，提高计算结果的直观性，采用了一种螺栓的有限元ANSYS的简化模拟分析，为了验证有限元简化模拟分析的准确性，利用传统力学的解析法对螺栓的强度进行校核，结果发现，此螺栓的有限元简化模型的模拟仿真结果与理论计算结果保持一致，说明对于螺栓强度的校核，此简化方法是有效的，对于工程应用具有重要的借鉴意义。
标签：螺栓强度校核；传统力学；ANSYS；螺栓模型简化；有限元仿真0 引言螺栓连接具有结构简单，调整简便，可反复拆卸等优点，是目前最为常用的工程结构的连接方式。
但是在复杂的工程应用过程中，由于交变载荷的作用，在振动、冲击等干扰因素作用下，往往对螺栓产生严重的破坏，螺栓的强度将直接关系到设备的正常使用及使用的安全性[1]。
与运用经典的理论力学相关知识对螺栓的强度进行校核相比，主要借助于理论分析，通过经验公式等进行校核计算，在计算过程中，对螺栓的整体受力情况及受力位置等考虑并不全面，此外，并不能完全的显示各个位置的受力状况，不能很好地用于指导实践。
通过有限元分析软件，可以轻松的分析整个螺栓的受力状况，计算结果更加直观地展现，而且计算工作量大大降低，因此，有限元软件越来越多的被应用到螺栓的校核中[2-4]。
1 螺栓连接的失效机理分析螺栓连接所受的载荷包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等，其受载形式主要为轴向力与横向力。
在轴向力的作用下，如果超出了螺栓的承受范围，螺栓杆将会产生塑性变形甚至将断裂；在横向力的作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或者螺栓杆被剪断等。
本研究主要对螺栓的强度进行分析，对于受拉力载荷的连接螺栓来说，发生破坏的位置主要在于螺纹的小径位置，对于这种螺纹连接，其主要的设计准则为保证螺栓具有足够的静力强度。
螺栓连接中，最为常见的受理方式为预紧力与工作拉力同时存在的情况，螺栓在轴向拉力作用下，螺栓跟连接件都会产生弹性变形，因此，螺栓所受到的总拉力并不是预紧力跟工作拉力之和。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!锻压技术，2008，33（6）：111-116.［3］沈庆云，沈自林.基于UG 的四连杆机构的运动分析仿真［J ］.轻工机械，2006，24（4）：74-75.［4］孙友松，周先辉，黎勉，等.交流伺服压力机及其关键技术［J ］.锻压技术，2008，33（4）：1-8.［5］李振石，阮卫平，李建平.新型闭式双点伺服压力机的研发［J ］.锻压装备与制造技术，2008（2）：33-35.［6］傅岩，张立伟，丁博，等.新型柔性锻压技术-伺服压力机［J ］.金属加工（热加工），2009（15）：55-56.［7］莫健华，郑加坤，古閑伸裕，等.伺服压力机的发展现状及其应用［J ］.锻压装备与制造技术，2007（5）：19-22.［8］程永奇，张鹏，魏良模.基于UG 的肘杆式伺服压力机动力学分析方法研究［J ］.机械工程师，2009（11）：61-62.（编辑立明）作者简介：程永奇（1980－），男，博士，讲师，主要从事塑性成形技术、成形装备等研究。
收稿日期：2010-03-07基于有限元技术的螺纹联接扭矩系数分析与计算方法姜凯，郭连水（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）螺纹联接（紧固件）作为一种联接技术已经广泛运用于机械工程中。
螺纹联接制造方便，标准化程度高，品种多，能适应各种不同的工作条件，因此得到广泛应用。
绝大多数螺纹联接在安装时都必须拧紧，使被联接件受到压缩，同时螺栓受到拉伸，这种在螺栓承受工作载荷之前受到的力称为预紧力［1］。
预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性。
预紧力的下限是由联接结构的功能决定的，该下限值必须保证被联接件在工作过程中始终可靠地贴合。
预紧力的上限是由螺栓（或螺母）和被联接件的强度决定的，该上限值必须保证螺栓及被联接件在夹紧和服役过程中不发生破坏。
螺栓联接的有限元建模方法研究龙荣利;高大威;郑松林;郑腾飞【摘要】螺栓联接的动力特性直接影响工程结构在振动环境下的动态响应.针对螺栓联接有限元模型建模难易程度和计算精度高低等问题,对其建立有限元模型进行模态分析对比研究,选出最优的建模方法.计算结果显示,三维轴对称模型与三维螺旋模型的前6阶固有频率相差甚微,而其他建模方法从第3阶开始便有了较为显著的差别.综合考虑经济性和计算精度等因素,在螺栓联接的有限元分析计算中采用三维轴对称模型最为合适.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2019(057)005【总页数】5页(P20-24)【关键词】螺栓联接;有限元法;预紧力施加;模态分析【作者】龙荣利;高大威;郑松林;郑腾飞【作者单位】2000093上海市上海理工大学机械工程学院;2000093上海市上海理工大学机械工程学院;200093上海市上海理工大学机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室;2000093上海市上海理工大学机械工程学院;200093上海市上海理工大学机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室;2000093上海市上海理工大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH131.30 引言螺栓联接具有较强的通用性、可靠性和互换性，且结构简单、装拆方便、成本较低，因而被广泛应用于工程结构中。
螺栓联接关系着整个结构的安全性和可靠性，其连接性能分析方法有解析法和有限元法。
解析法[1-3]在计算过程中对连接结构做了大量简化且计算过程复杂，计算结果精度较低，因而应用不多。
目前螺栓联接模型主要有一体化模型、刚性单元模型、梁单元模型、圆柱模型、三维轴对称模型和三维螺旋模型等。
一体化模型螺栓本身采用捆绑式接触将连接件连接在一起；刚性单元模型利用刚性单元代替螺栓将连接件连接在一起，忽略了螺栓的预紧载荷及变性影响；梁单元模型未考虑螺栓与被连接件之间的接触问题，规模比较小；圆柱模型利用捆绑式接触模拟螺栓螺母的螺纹接触，未考虑螺纹细节；三维轴对称模型很好地模拟了螺栓连接，也考虑了螺牙的影响只是忽略了螺纹升角的细节；三维螺旋模型精确，但建模困难、规模较大，计算成本较高。
No. 3Mar.2021第3期2021年3月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacttring Techiiinue文章编号：1001 -2265(2021)03 -0045 -04DOI ：10.13462/s. cnkO mmemr 2021.03.010基于有限元法改进螺栓连接刚度模型*收稿日期：2020-04-23；修回日期：2020-05 -1'*基金项目：国家重点研发计划(201'YFB2001701)作者简介:马雅丽(1963—),女，辽宁鞍山人，大连理工大学教授，博士生导师，博士，研究方向为机械系统设计及创新设计理论方法，(E-mail )myl@ dlui. edu. cn o马雅丽，刘国超，危家勇，李灿灿，梁 晨(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024)摘要:针对目前对螺栓连接刚度的研究忽视了被连接件材料的弹性模量和厚度不同对其刚度的影响，基于有限元方法，研究了被连接件材料的弹性模量与厚度对其刚度的影响。
结果表明：被连接件材料的弹性模量比值越大，螺栓连接刚度越小；被连接件的厚度比值越大，螺栓连接刚度越小；被连接件厚度与螺栓直径比值会减小被连接件材料的弹性模量对刚度的影响和增大被连接件厚度对 刚度的影响。
最后建立螺栓连接的解析公式，与德国工程师协会(VDI )的实验刚度结果对比，计算 误差小于8% ,螺栓连接刚度计算较为准确°关键词：螺栓连接;被连接件刚度；弹性模量；受压层面积中图分类号:TH16 ；TG506文献标识码:AImprovement of Colt Connection Stiffnest Model Based on Finite Element MettodMA Yoli,LIU Guo-chao ,WEI Jia-yong ,LI Can-cn ,LIANG Chen(School of Mechanical Engineering , Dalian Universitr of Technolooy , Dalian Liaoning 116024, China ) Abstrach : Based on the finite element method , the influence of the elastic modulus and thicknes s of theconnected material on the stiffness is studied. The resultr show that ： the larger the elastic modulus ratio of the connected material is, the smaller the stiffness of the bolted connection is. The larger the thickness ratioof the connected pare is , the smaller the stiffnes s of bolt connection is. The ratio of the thicknes s of theconneched parhho hhediameherofhheboehwi e reducehheinfeuenceofhheeeashicmodueusofhhemaheriaeof hheconneched parhon hheshi f ne s and increasehheinfeuenceofhhehhickne s ofhheconneched parhon hhe stiffness. Finlly , the analytical formula of bolt connection is established. Compared with the experimental resultr of VDI, the calculation error is less than '% , and the calculation of bolt connection stibness is moreaccurahe.Key wo C s : bolted joints ； stiffness of connected pats ； elastic modulus ； compression layer area0引言螺栓连接性能的主要指标之一就是其刚度，它直 接影响结构性能甚至于机器整机性能或精度,所以各 国学者开展了大量研究。
SolidWorksSimulation有限元分析实例练习（16）：螺栓接头分析问题描述：一个杆件连接一块平板，该平板包含两个松配合螺栓，平板由两边支撑，吊环螺栓沿垂直方向和竖直方向受力为1100N。
计算零部件的最大应力和变形。
点击阅读原文下载模型练习1.打开零件。
2.我们新建一个静应力分析的算例，如下图所示。
3.设置材料。
我们需要为模型指定模型的材料属性。
点击选中模型，鼠标右键选择“应用/编辑材料”。
设置零部件的材料为AISI 1020，如下图所示。
4.定义螺栓接头。
选择“连接”鼠标右键选择“螺栓”，如下图所示。
螺栓类型选择“标准”，依次选择下面的两个边线定义螺钉和螺母。
勾选“相同的螺钉和螺母直径”。
设置螺钉和螺母的直径为24mm，螺栓柄直径为12mm。
螺栓材料使用“合金钢”。
在预载选项中，选择扭矩并设置扭矩为160N.m，摩擦系数为0.2。
5.定义接触条件。
为了正确建立螺栓连接的模型，需要在两个零部件之间定义接触条件。
点击连接鼠标右键选择“相触面组”。
在下面的两个面之间定义一个“无穿透”，“节到曲面”的相触面组。
6.添加外部载荷。
模型约束好之后，我们需要向模型施加远程载荷。
选择外部载荷，鼠标右键选择“远程载荷/质量”，如下图所示。
选择下面的两个面定义远程载荷/质量的面，指定力的位置（0，0，51），力的大小为（1100，0，1100）。
7.添加夹具。
为了完成静态分析，我们在平板上添加固定几何体约束。
点击夹具鼠标右键选择“固定几何体”。
在平板的左右两侧添加固定几何体约束，如下图所示。
8.划分网格。
按照如下图所示进行设置。
10.运行分析。
选择“静应力分析1”鼠标右键选择“属性”，弹出如下图所示的窗口，设置解算器为“Direct sparse解算器”。
我们可以看到最大von Mises应力值为525MPa，小于材料屈服极限352MPa。
我们可以看到最大位移为8.73mm。
11.查看螺栓力。
选择“结果”鼠标右键选择“列举合力”，如下图所示。
螺栓联接的有限元分析问题描述如图所示，两个长方形平板通过两个螺栓连接在一起，具体几何尺寸如下：L1=0.05m,L2=0.03,L3=0.03,L4=0.09,W=0.07,板子的厚度H=0.008m，螺母半径R1=0.008m，螺母厚度H1=0.004，两个螺栓的中心距L=0.03m，螺杆半径R2=0.05，模型采用SOLID186单元模拟板子，采用接触向导定义接触对，材料参数：板材的弹性模量为2.1E11pa,泊松比0.3，应力应变关系为双线性等向强化，其中屈服强度为400Mpa,切线模量为2E10pa,螺栓的弹性模量为 2.1E11pa,泊松比为0.32，应力-应变关系为双线性等向强化，其中屈服强度600Mpa,切线模量为2E10pa。
载荷及边界条件：螺栓连接模型承受螺栓预拉伸应力和外拉伸两种载荷，因此计算中采用两个载荷步进行加载，第一个载荷设置螺栓的预拉伸力为1000N，第二个载荷步设置板子的右端承受60Mpa的拉力固定约束在板子左端一、建立有限元模型（1）定义单元类型本实例分析的问题中涉及到大变形，故选用Solid186单元类型来建立本实例的模型。
本接触问题属于面面接触，目标面和接触面都是柔性的，将使用接触单元TARGE170和CONTA174来模拟接触面。
接触单元在分析过程中使用接触向导时可以自动添加，这里就不再添加。
下面为定义单元类型的具体操作过程。
1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，将弹出Element Types (单元类型)对话框。
单击对话框中的Add按钮，将弹出Library of Element Types (单元类型库)对话框。
2．在单元类型库对话框中，靠近左边的列表中，单击“Structural Solid”一次，使其高亮度显示，指定添加的单元类型为结构实体单元。
然后，在靠近右边的列表中，单击“Brick 8node 186”一次，选定单元类型Solid186 为第一类单元。
高强度螺栓受拉连接中撬力的有限元模拟摘要：螺栓连接受拉时，如果连接板或多或少会有些变形，当板厚较小而变形较大时，螺栓收到撬开作用而出现附加撬力和弯曲现象。
该文对这种撬力进行了有限元模拟，揭示撬力的分布状态。
关键词：高强螺栓连接受拉撬力1 概述拉力经上翼缘通过高强螺栓传递给端板，外伸端板在较大拉力作用下会发生一定的弯曲变形，而此时端板对于螺栓的作用相当于杠杆作用，端板由于弯曲变形的挤压作用产生接触力，即撬力（如图1所示）。
由于杠杆作用影响，高强螺栓受到的拉力大于实际理论计算值，因此对外伸端板连接的撬力进行深入分析和研究是非常有必要的。
2 有限元模型本模型取1/2半结构(图2)，底座和盖板通过螺钉联系在一起，底座固定。
各部件的材料特性为弹性模量E=210000MPa,泊松比μ=0.3。
各接触面之间的摩擦系数为0.15。
底座尺寸为320mm×80mm×44mm，两个螺栓之间的距离为100mm。
螺钉采用8.8级M22高强度螺栓。
8.8级M22的高强螺栓的设计预拉力值为P=150kN。
盖板的尺寸为400mm×200mm×16mm,T型部分伸出40mm,宽度为16mm,螺栓到T板的距离为42mm。
螺栓和底座建立tie约束，盖板和底座建立interection接触，螺栓与盖板相接触的面和盖板上表面建立接触。
3 分步计算分析共分为五个分析步：(1)第一个分析步中，在盖板的端面上定义临时的固支边界条件，在螺栓上施加很小的预紧力10N，让各个接触关系平稳地建立起来。
(2)第二个分析步中，去掉盖板端面上的固支边界条件，保持螺栓上的10N预紧力不变。
(3)第三个分析步中，建立预紧力。
将螺栓中的预紧力增加到75kN，由于取得是半结构，所以荷载也只取1/2。
(4)第四个分析步中，将螺栓上的预紧力改为固定螺栓的长度。
(5）第五个分析步中，在顶部施加150kN的拉力，换算为pressure 均布力为234.375MPa，应力云图如下所示（缩放系数为100）,分析结果如图3所示。
基于数值模拟的螺栓连接预紧力分析摘要：为了对关键螺栓连接提供准确的预紧力，建立了螺栓连接三维有限元模型，对螺栓连接预紧过程进行了模拟仿真,得到了拧紧力矩和预紧力的关系曲线，和传统理论方法得到的曲线吻合较好，说明有限元数值模拟能够准确获得螺栓连接预紧力大小，为关键螺栓连接设计提供了理论依据。
关键词：螺栓连接；拧紧力矩；预紧力；数值模拟1 引言螺栓连结因其易于拆装而广泛应用于机械结构中。
安装时必须拧紧螺母，以使在拉伸螺栓同时压缩被连接部件，这个螺栓预先受到的拉力称为预紧力。
预紧的目的是加强连接的可靠性和紧密性，但预紧力过大会导致螺栓屈服甚至断裂，过小则可能导致被连接部件间松动导致连接失效[1]。
因此，合适的预紧力对螺栓连接非常重要。
在装配过程中，预紧力测量比较困难，通常采用扭矩扳手来调节拧紧力矩。
因此，确定拧紧力矩与预紧力之间的关系对于螺栓连接具有重要意义。
2 拧紧力矩和预紧力的关系由机械设计手册可知[2]，拧紧力矩T和预紧力F0的关系为：T=KFd （1）上式中，d为螺纹的公称直径，mm；K为拧紧力矩系数，对于M10~M64粗牙普通钢制螺栓，K=0.1~0.3，通常取平均值K=0.2。
受接触面摩擦因子和螺纹副参数几何偏差的影响，在T一定时，F0的离散性较高，无法准确预测F0的大小，最大误差可达±40%[3]，对关键螺栓连接的设计影响很大。
因此，本文尝试利用有限元数值模拟预测拧紧力矩T和预紧力F0之间的真实关系，以期获得准确的预紧力大小。
3 有限元数值模拟3.1 有限元分析模型有限元模型包含一个M12x50螺栓、螺母和一个被连接件，它是一个空心圆柱体，其内径13mm，外径39mm，如图1所示。
图1 螺栓连接有限元网格模型考虑到接触分析要求及减少计算时间，采用六面体单元（C3D8R）进行网格划分[4]，整个模型包含15888个单元，18623个节点。
螺栓、螺母材料为42CrMo，弹性模量为206GPa，泊松比均为0.3；被连接部件材料为6082-T6，弹性模量为70GPa，泊松比为0.334。
