CAE工程分析 | 螺纹连接：仿真分析简化1

01 前言

前文通过一些实际现象应该能够让大家认识到：螺纹连接的力学行为比表面上看起来更加复杂，因此要使用数值仿真工具对其进行合理地分析并不容易

但不幸的是，这种连接方式恰恰在实际中使用非常广泛，并且很多时候出现在主传力路径上，因此进行装配体分析，不可避免需要与大量的螺纹连接打交道

虽然笔者目前对于螺纹连接的处理仍然存在一些困惑，但仍希望借文章形式就目前的部分想法和大家进行交流和探讨

内容仅代表个人观点，希望大家有选择性地参考

02 简化思路

为什么简化？

有些小伙伴可能会困惑：“实体螺栓+接触（不考虑螺纹）”多么完美的处理方式，还有必要简化么？

回答当然是肯定的，主要有几点原因：

①复杂装配体动辄成百上千的螺栓连接，大量的螺栓连接直接导致费时的接触对创建工作

有伙伴会说：现在很多软件可以使用批处理，自动识别接触对或者通用接触大幅度缩减这部分工作量

但是👇

②螺栓连接涉及接触非线性问题，非线性的引入使得求解需要迭代，对于大型装配体，其调试成本，计算时间不容小觑

有伙伴会说：公司电脑搁那放着，啥时候算完啥时候提取结果，并且用显式动力学不存在接触收敛问题

但是👇

③显式动力学虽然不存在接触收敛问题，其对网格尺寸相当敏感，而螺栓局部特征相对于整体一般较小，直接导致计算量拉跨

有伙伴会说：上超算，开并行，再大计算量都不是问题

但是👇

④大部分结构动力学分析基于线性动力学体系，也就是说模态分析，谐响应分析，线性瞬态分析，随机振动分析，谱分析都不能考虑非线性效应

有伙伴会说：将螺栓预紧后的状态作为预应力考虑到后续线性动力学工况中

确实这样在一定程度上是可行的

但是从个人角度，最关心的还是计算量及前后处理的便捷性，因此大部分时间还是会考虑对螺栓连接进行进一步等效处理

简化什么？

如图所示，螺栓体系主要包含变形行为（螺栓变形+被连接件变形）以及接触行为（螺母接触+螺栓头接触+螺纹接触+螺母接触等）

其中变形行为反应了螺栓体系受到外力作用后的变形情况，对应螺栓体系的等效刚度，主要包含螺栓等效刚度和被连接件等效刚度

接触行为反映了螺栓体系之间的连接关系，对应接触面之间的粘合，分离及滑移

因此螺栓连接体系简化的核心就是：使用各种单元或者连接关系来等效替代真实的连接刚度及连接关系

怎么简化？

首先，螺栓完成拧紧之后，如果没有发生旋转型松动，螺栓与螺母啮合螺纹之间理论上相对滑移量较小，可以使用绑定接触替代

其次，由于摩擦型螺栓要求外载作用下不发生分离和滑移，因此螺栓头→被连接件，螺母→被连接件实际行为也类似于绑定接触

一旦可以使用绑定接触考虑问题（线性问题），那么约束方程，耦合，各类连接单元都可以引入进来，这样问题的核心就只剩下如何合理等效连接体系刚度

最后，被连接件未分离之前，轴向连接刚度基本呈现线性关系；切向刚度由于摩擦阻力作用因此可以不进行考虑；弯曲刚度相对较为复杂，与工况和模型相关并呈现显著非线性行为

而刚度的等效可以使用弹簧单元，cbush单元，梁单元以及实体单元

这样，整个简化的初始思路基本就确定了，下面需要做的就是将各种方案进行对比验证，得到各自使用的精度和条件

按照前文思路，分别从连接关系及连接刚度两方面进行探讨

注意的问题？

需要注意的是，不管采用何种简化方案，最终目的一般有两个：

①合理等效连接行为，使其不影响整体计算精度

②合理选取等效方法，使得后处理更便于提取校核相关参数

因此进行等效时，一定要根据实际需求围绕这两点进行，不能单纯为了等效而等效。

作者：聪聪    来源于：仿真求知之路