交叉及顺次加载下螺栓交互作用的有限元分析

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。

基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析王丽【摘要】螺栓连接是机械工程中常见的连接方式,然而在不同的行业、不同的研究问题以及不同的工况下处理螺栓连接所使用的建模方法也有所不同.不同建模方法是否会对机械组件的计算结果产生较大的影响、不同建模方法的特点、不同建模方法的适用场合、目前最主要的螺栓连接的建模方法等等问题,文章将以一个简单的例子予以回答,旨在为实际工程中螺栓连接问题的处理提供参考.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2019(000)008【总页数】4页(P126-129)【关键词】螺栓连接;建模方法;有限元分析;ANSYS Workbench软件【作者】王丽【作者单位】陕西工业职业技术学院,陕西咸阳712000【正文语种】中文【中图分类】TS103.3螺栓连接是机械设计及工程问题中常见的紧固连接方式，几乎所有的设备上都能用到螺栓连接。

通常，在连接螺栓的强度设计和校核中，根据螺栓受到的外载，计算螺栓预紧力，再根据不同工况下的计算公式进行强度计算，如静载荷与动载荷的分析计算。

有限元分析方法是通过分析螺栓连接的整体装配模型，获得螺栓外载，再通过手工计算进行螺栓连接的设计。

然而，螺栓连接的行为相当复杂。

典型的螺栓连接受限于各种因素的影响，从初始预紧到最后的螺栓变化载荷，需要考虑的参数组合相当令人困惑，尤其是还要考虑螺栓连接的失效。

因此准确地构造螺栓连接特征就显得尤为重要[1-2]。

基于不同的螺栓连接设计需求，有限元分析中对分析模型的处理方式也不同。

下面给出了螺栓连接4种建模方法的数值模拟过程，并加以讨论。

（1）螺栓不参与建模，零件之间的连接使用绑定接触，无螺栓预紧力。

（2）螺栓连接采用梁单元建模，此处采用两种方式：梁连接无螺栓预紧力；线体模型的梁单元包含螺栓预紧力及连接面之间的摩擦接触。

（3）螺栓连接使用实体单元，不包含螺纹接触，包含螺栓预紧力及摩擦接触。

（4）螺栓连接使用实体单元，包含螺纹接触、螺栓预紧力及摩擦接触。

高强螺栓端板连接节点的非线性有限元分析贾连光;邢贵洋;王升博;周光禹【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2005(021)006【摘要】目的研究高强螺栓对端板连接节点力学性能的影响.方法采用有限元分析软件ANSYS,考虑螺栓数目、螺栓直径、端板厚度等影响因素,对高强螺栓端板连接中的外伸式节点进行三维非线性有限元分析.结果螺栓数目、螺栓直径以及端板厚度对节点极限承载力都有不同程度的影响.8个螺栓的节点受力较为合理,比6个螺栓的端板连接的极限承载力提高近30%,能充分利用梁柱材料.端板厚度的变化影响节点的初始连接刚度,但对节点的极限承载力影响不大.结论增大螺栓直径可以有效地提高节点的极限承载力.螺栓数目的不同影响节点螺栓的应力变化和各排螺栓屈服的先后顺序.端板厚度的增加在端板较薄时对节点的初始刚度影响明显.【总页数】5页(P630-634)【作者】贾连光;邢贵洋;王升博;周光禹【作者单位】沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168;中国建筑东北设计研究院,辽宁,沈阳,110003;沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁,沈阳,110168【正文语种】中文【中图分类】TU391【相关文献】1.高强螺栓T型钢连接节点三维非线性有限元分析 [J], 韩敏;熊军辉;郑玉莹;龙谋识2.螺栓端板连接节点的三维非线性有限元分析 [J], 匡祯斌;孙炳楠;顾正维3.贯通高强螺栓梁柱端板连接节点静力受弯试验研究 [J], 钱晨阳;孙海林;祝磊4.高强螺栓端板连接钢管柱节点在循环荷载作用下的力学性能分析 [J], 李晓磊;王志宇;5.反复弯剪对高强度螺栓端板连接节点抗滑移性能影响——轻型薄壁钢构件高强度螺栓端板式连接系列研究之三 [J], 陈以一;杨永华;韩琳;沈祖炎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

顺次及交叉加载方案下螺栓弹性交互作用规律喻健良;闫兴清;刘明;伊军【摘要】由于螺栓之间存在弹性交互作用,采用力矩方法逐个加载螺栓难以获得均匀一致的预紧载荷.试验研究了顺次及交叉多轮加载方案下螺栓的弹性交互作用规律.螺栓采用8根M20×1.5双头螺柱,材料35CrMoA.采用应变片和应变仪实时监控螺栓载荷,采用力矩扳手加载.结果表明,在螺栓加载过程中存在两种弹性交互作用:正作用和负作用.弹性交互作用使交叉加载和顺次加载的最终载荷分布分别呈现W 形和N形.分析了正作用和负作用的规律,依据规律提出了优化的加载方案,可将弹性交互作用系数方阵[A]n×n简化为三对角阵,提高了弹性交互作用系数法的实用性.%Achieving uniform preload is difficult by tightening bolts one by one with torque controlled method because of the elastic interaction between bolts. An experimental study was presented in order to determine interaction rules in two tightening strategies: cross pattern and sequential pattern with multipass. The flanges were fastened together using eightM20 × 1.5 stud bolts made of 35CrMoA. Strain gauges and continuous strain readouts were used to monitor blot tensions in real time. Bolt tightening was accomplished by torque wrench. The results indicate that two types of interaction effect exist in the blot - up process: positive effect and negative effect. The combination of the two kinds of effect makes the final load distribution as W shape in cross pattern and N shape in sequential pattern. The features of positive and negative effect were concluded. A simple interaction coefficient method with proper bolt - upprocess in which the elastic interaction coefficient matrix [A]n × n can be simplified to tridiagonal matrix were introduced.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)010【总页数】8页(P1-8)【关键词】弹性交互作用;交叉加载;顺次加载;多轮次;均匀预紧载荷【作者】喻健良;闫兴清;刘明;伊军【作者单位】大连理工大学化工机械学院,辽宁大连116024;大连理工大学化工机械学院,辽宁大连116024;中国石油工程设计有限责任公司大连分公司,辽宁大连116011;大连锅炉压力容器检验研究院,辽宁大连116013【正文语种】中文【中图分类】O343;0344.10 引言获得均匀的预紧载荷是螺栓法兰密封系统实现长期密封的前提。

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。

基于ANSYS的压力容器螺栓连接有限元分析作者：***来源：《粘接》2021年第08期摘要：根据GB 150.1—150.4-2011《压力容器》以及有关设计实践，可知压力容器螺栓的常规设计方法偏向于稳定性，因此造成其各部位所受拉力较高，材料损耗严重。

基于此，提出基于ANSYS的压力容器螺栓连接有限元分析。

以有限元分析为基础，输入材料参数，对连接结构进行参数化建模，选择单元格类型及划分网格，规定约束和边界条件，计算螺栓组剪力及工作拉力。

实验得知，本设计方法与传统方法相比，在受力方面较小，即表面处的径向应力约等于内表面上的压力，具有较高实用性。

关键词：压力容器;ANSYS;螺栓连接;有限元中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0136-04Finite Element Analysis of Bolt Connection ofPressure Vessel Based on ANSYSZheng Zhoujie（Zhuhai Technician College， Zhuhai 519000， China）Abstract：According to GB 150.1—150.4—2011 “Pressure Vessel” and related design practice， it can be seen that the conventional design method of pressure vessel bolts is inclined to stability， which results in high tension and serious material loss in each part. Based on this， the finite element analysis of bolt connection of pressure vessel based on ANSYS is proposed. Based on finite element analysis， input material parameters， carry out parametric modeling of the connection structure， select cell types and divide grids， specify constraints and boundary conditions， andcalculate bolt group shear force and working tension. Experimental show that compared with traditional methods， the design method in this paper has less stress， that is， the radial stress on the surface is approximately equal to the pressure on the inner surface， which has high practicability.Key words：pressure vessel; ANSYS; bolted connection; finite element0 引言压力容器作为重要的存储设备，被广泛应用在化工、能源、冶金以及石油等诸多领域内。