螺栓连接有限元模拟方法的应用研究

１ ． ２ 有限元模型单元类型的选取
有 限 元分 析过 程 中 ，选 择 恰 当的 单 元 类 型 ， 不 但 可 以提 高 计 算 速 度 ，而 且 能 够 保 证 计 算 结 果 的正 确 性 和 准 确 性 。模 型 中采 用 的是 壳 单 元 和 实
体 单元 。 壳 单 元 既 具 有 弯 曲 能 力 和 膜 力 ，也 可 以 承 受
械 、汽 车 以及 各种 工 程 结 构 之 中 。由 于 螺 栓 力 学 作 用 相 当复 杂 ，很 难 建 立 起 统 一 模 型 进 行设 计 计 算 。传 统 的解 析 方 法 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 ， 对螺栓进 行强度校 核Ｈ 】 。这 种 方 法 没 有 考 虑 到 连
平 面 内荷 载 和 法 向荷载 。单 元上 的每 个节 点 具 有６
个 自 由度 ：沿 节 点 坐 标 系Ｘ、Ｙ、Ｚ 方 向的 平 动 和 沿 节 点 坐 标 系ｘ、Ｙ、Ｚ轴 的转 动 。 应力 刚化 和 大 变 形 能 力 已经 考 虑 在其 中 。在 大变 形 分 析（ 有 限 转 动） 中可 以采 用不 变 的切 向刚度 矩阵 。如 图 １ 所示 。
来 越广 泛 。
不 同 的建 模 方 式 ，繁 琐 程 度 不 同 ，计 算 工 作 量 不 同 ，计 算 结 果 精 度 也 不 同 ， 那 么 ， 如何 建模 能 更 简 单 而 且 接 近 实 际情 况 ，就 成 为 一 个很 现 实 的 问 题 。基 于 有 限 元 分 析软 件 Ｈｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ｓ ，对一 种 螺 栓 连 接 方 式 进 行 了探 讨 ，分 析 了 四种 模 拟 方 法 ，并 进行 了试 验 验证 。
法 的应力分 布 ，并进 行 了试 验验证 。最终得 出了最优模 拟螺栓连 接的有 限元分析方 法 ，为 工
程 中ＣＡ Ｅ 分析提供了有力的支持 。 关键词 ：螺栓连 接 ；Ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ８ ；有限元分析 中 图分类号 ：Ｕ ４ ６ ５ ． ９ 文献标识码 ：Ａ
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． １ ２ （Ｉ － ） ． ０ ２
图 １ 壳单 元 不 意 图
实 体单 元 具 有塑 性 、蠕 变 、膨胀 、应力 强化 、
１ 螺栓连接的有 限元模拟及结果分析
１ ． １螺栓及连接板材料参数 所 用 螺栓 的 材 料 为４ ５ 钢 ，弹性 模 量 为 ２ １ ０ ＧＰ ａ ，泊 松 比为０ ．２ ９ ，抗拉 强度 为６ ０ ０ ＭＰ ａ ，屈
部被 约束 。如 图２ 所示为 六面体单 元示意 图 。
弹性模 量为２ １ ０ ＧＰ ａ ， 泊松 比 为 ０ ． ３ ０ ， 屈 服 强 度 ３ ５ ５ ＭＰ ａ ，抗 拉 强度 ５ Ｏ ０ ＭＰ ａ 。被 连 接板 的 物理参 数 为长 度２ ０ ０ ｍｍ，宽 度 １ ０ ０ ｍｍ，厚 度２ ５ ｍｍ。装配 孔
Ｉ
訇 化
螺栓 连接有 限元模拟方法 的应用研 究
Ａ ｓｔ ｕｄｙ ｏｎ ｔ ｈｅ ｉｎｉ ｆ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｉ ｎｇ ｆ ｏｒ ｂｏｌ ｔ ｅｄ ｃｏｎｎｅｃ ｔ ｉ ｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙ ｐｅｒ ｗ ｏｒ ｋｓ
文章编号 ：１ ０ ０ ９ — ０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ （ 上） 一０ ０ ０ ５ — ０ ４
０ 引言
螺 栓 作 为 重 要 的 连 接 件 ，结泛 应 用 于航 天 航 空 、 工程 机
大 小为 ２ ５ ｍｍ 。
服强度为３ ５ ５ ＭＰ ａ 。被 连接 板 材 料 为普 通 优 质钢 ，
大 变 形 和大 应 变 能力 。四面体 单 元 通过 ４ 个 节 点来
定 义 ，六 面 体单 元 通 过 ８ 个 节 点 来定 义 ，每 个 节 点 有３ 个 沿 着ｘ ｙ ｚ 方 向平移 的 自由度 ，３ ４ ＇ － 旋转 自由度全
接 部 件 整 体 性 、 力 的 传递 途 径 和 部 件 的 局 部 细 节
（ 如 应力 集 中、应 力分 布 ）等等 。 有 限 元 法 通 过 整 体 建 模 和 局 部 细 化 ， 可 以 弥 补 传 统 解 析 方 法 的 缺 陷 ， 使 计 算 过程 更 方 便 和 计
算 结 果 更 准 确 ， 因 此 ，在 螺 栓 强 度校 核 中 应 用越
收 稿日期：２ ０ １ ３ － ０ ８ － ２ ３
１ ． ３ 螺栓连接有限元模型模拟 为 了能 对 螺 栓 连 接 关 系 进 行 合 理 的 模 拟 ，利 用算例 比较 了四种 常用 的模拟方案 。采用的算例 如 图３ 所 示 ，两 块 板通 过 两 个 螺栓 连接 到 一起 ，一
作 者简介：刘瑞 昌 （ １ ９ ６ ５一），男，讲 师，硕士 ，研 究方 向为载运工具结构设计优化 。 第３ ５ 卷 第１ ２ 期 ２ ０ １ ３ －１ ２ （ 上） ［ ５ １
刘瑞 昌，刘祥斌 ，宋年秀 ，潘福全，张贯超
Ｌ Ｉ Ｕ Ｒｕ ｉ ． ｃ ｈ ａ ｎ ｇ。 Ｌ Ｉ Ｕ Ｘｉ ａ ｎ ｇ ． ｂ ｉ ｎ ，ＳＯ ＮＧ Ｎｉ ａ ｎ ． ｘ ｉ ｕ ，Ｐ ＡＮ Ｆ ｕ － ｑ ｕ ａ ｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕ ａ ｎ － ｃ ｈ ａ ｏ
（ 青 岛理工大学 汽车 与交通学 院，青 岛 ２ ６ ６ ５ ２ ０ ） 摘 要 ：基于Ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 对螺栓一种连接方 式进行了四种有限元模 拟方法的比较 ，分析 了各 种模 拟方