案例37-螺栓螺纹分析

该示例问题演示了通过螺栓截面法进行螺栓螺纹模拟的简化建模技术。该方法以接近真实螺栓模型的精度提供近似结果，但不需要详细的螺纹几何结构和精细的网格离散化。螺栓截面法还显著节省了模拟时间。

突出显示了以下特性和功能：

• 通过将螺栓截面分配给接触单元，对2-D/3-D螺栓螺纹进行建模。

• 使用预紧载荷。

介绍

螺栓连接用于将两个或多个零件固定在一起，以形成机械结构的组件。

为了实现螺栓连接结构的预期物理行为，需要一个详细的三维螺栓模型，该模型充分包括螺栓预紧效应和接触界面处的摩擦行为。然而，对于大型复杂结构，由于问题尺寸限制和与分析整个结构相关的计算成本，螺栓连接的详细建模很困难。

可用于二维和三维接触单元的螺栓螺纹建模技术提供了简化的建模，其精度接近于真正的螺栓模型。通过将螺栓截面（由SECTYPE命令定义）指定给覆盖在光滑圆柱形螺栓表面上的接触单元，可以模拟螺栓螺纹。为了近似螺栓的行为，根据用户指定的螺纹几何数据和螺栓轴的端点（输入通过SECDATA命令）。

螺栓螺纹建模技术对于系统级建模非常有用，其中主要螺栓功能是传递载荷。螺纹区域中没有几何细节和精细的网格离散化也使其成为一种计算成本低廉的方法。该技术可应用于三维模型和二维轴对称模型。

问题描述

螺栓接头的两个主要特征是预紧和配合部件接触。为了模拟螺栓配置，双头螺栓M120用盖子和底板建模。螺栓承受256446 N的预紧载荷，以模拟实际的螺栓现象。定义了三个摩擦接触对（FCP）：一个在螺纹区域，另一个在螺栓头和盖板之间，第三个在盖板和底板之间。

在对螺栓施加预紧力后，对盖板的上表面施加50 MPa的压力载荷（小于等效预紧力载荷）。在螺栓模拟过程中，由于预紧载荷和包括摩擦接触行为而产生的螺栓杆应力（螺栓头和螺栓螺纹之间区域的应力）是主要关注的问题。

该问题的目的是表明螺栓截面法简化了该螺栓接头的建模，并产生了近似的螺纹行为和柄部应力，与真实的螺栓模型相当。

该问题通过三种方法模拟：

1. 真实螺纹模拟

这种方法是最精确的螺栓模拟。螺纹的详细建模在模型中提供了准确的螺纹行为。螺纹区域需要非常精细的网格离散化，这使得该方法的计算成本很高。

2. 螺栓截面法（简化螺栓螺纹建模技术）

在该方法中，通过将螺栓截面分配给覆盖在光滑圆柱形螺栓表面上的接触单元来模拟螺栓螺纹。（不需要详细的螺纹几何形状。）根据SECDATA命令给出的螺纹参数在内部进行计算，以接近螺栓的行为。这种方法计算成本低。

3. MPC方法（螺纹区域的粘结行为）

在该方法中，MPC结合行为在螺纹区域中定义。（不需要详细的螺纹几何结构。）此方法计算速度非常快，但螺纹行为可能会丢失。

二维轴对称和三维模型都用于比较这三种方法。所有三种方法的二维模型设置如下图所示：

建模

具有标准螺纹尺寸的M120结构钢螺栓采用合理尺寸的盖板和底板建模。进行二维和三维螺栓螺纹建模。螺栓和板采用双线性各向同性塑性材料模型。

带盖板和底板的螺栓模型

创建了两个模型，一个具有螺纹表面，另一个具有光滑的螺栓表面，以证明螺栓截面法相对于真实螺纹模拟法的简单性和优势。

带盖板和底板的真实螺纹螺栓模型

三维螺纹螺栓模型表示一个带有盖板和底板的单头M120螺栓。螺栓的最大直径为120 mm，中径为116 mm，螺距为6 mm，半螺纹角度为30度（根据标准螺纹轮廓）。

该模型由SOLID186和SOLID187单元组成。在螺纹区域中执行网格细化。

从三维螺纹几何图形中提取二维表面几何图形。二维模型用平面183轴对称单元（KEYOPT（3）=1）划分网格。

带盖板和底板的简化螺栓模型

为螺栓和底板创建平滑的圆柱形表面以替代真实的螺栓建模。

创建了二维轴对称模型，并用平面183轴对称单元（KEYOPT（3）=1）划分网格。

通过使用EEXTRUDE命令围绕Y轴拉伸二维轴对称模型，使用SOLID186单元生成三维模型。

建模预紧张力截面

预张力是螺栓结构模拟的最重要方面。它传递模型中的载荷，同时只承受螺栓上的一小部分外部载荷。螺栓上的预紧力是通过拧紧螺栓将盖板固定到底板上而产生的。通过将螺栓切割成两段并将每一段向另一段拉动，对螺栓中的预张力进行建模。

以下步骤和命令说明了模拟螺栓预紧的步骤：

1. 对螺栓进行网格划分，然后切割网格并插入PRETS179单元以形成预张紧截面。PSMESH命令用于在y=260 mm的螺栓中创建预张紧单元。

2. SLOAD命令用于施加预张紧载荷。在第一个载荷步中，预张紧载荷作为力施加到节点K。在第二个载荷步中力锁定，允许附加载荷。初始载荷的作用在锁定后保持为位移。

建模接触对

定义了三个摩擦接触对来模拟模型中的接触界面。接触区的摩擦系数为0.15。接触区用针对三维情况的CONTA174单元划分网格，用针对二维轴对称情况的COMTA172单元划分网格。使用增广拉格朗日算法（KEYOPT（2）=0）。目标表面用针对三维情况的TARGE170元件和针对二维轴对称情况的STARGE169单元划分网格。

接触对在以下区域建模：

螺纹区域的接触

在螺栓和基板之间限定了一对面-面接触。对于三种模拟方法中的每一种，对螺纹区域中的接触进行了不同的建模。

真实螺纹模拟方法的螺纹区域接触

在螺栓螺纹表面（接触表面）和基板螺纹表面（目标表面）之间定义摩擦接触对。使用表面投影接触检测方法（KEYOPT（4）=3）是因为与其他接触检测方法相比，它为底层单元提供了更精确的接触力和应力。

螺栓截面模拟方法中螺纹区域的接触

在光滑的圆柱形螺栓表面上生成接触单元（CONTA174用于3-D情况， CONTA172用于2-D情况）。将螺栓截面指定给接触元件以模拟螺纹。根据用户指定的螺纹几何数据和螺栓轴的两个端点在内部计算接触区域。目标单元（TARGE170用于3-D情况，TARGE169用于2-D情况）覆盖在基板的光滑圆柱孔上。

SECTYPE和SECDATA部分命令用于定义接触单元的螺栓部分。这些命令的格式如下所示：

其中

Dm=平均中径，Dm

P=节距，P

ALPHA=半螺纹角度，α

N=启动次数（默认为1）

X1、Y1、Z1、X2、Y2、Z2=螺栓轴在全局笛卡尔坐标中的两个端点

以下命令说明了使用螺栓截面命令进行螺栓螺纹建模的步骤：

MPC仿真方法中螺纹区域的接触

在该方法中，MPC粘结接触行为定义在光滑圆柱形螺栓表面和光滑底板之间。没有定义螺纹行为。要定义MPC接触，请使用以下接触单元KEYOPT设置：

KEYOPT（2）=2-MPC算法

KEYOPT（4）=2-节点接触检测

KEYOPT（12）=5-始终粘结行为

螺栓头和盖板之间的接触

在螺栓头（接触表面）和盖板（目标表面）之间限定摩擦接触对。表面投影接触检测方法（KEYOPT（4）=3）用于该接触对。

盖板和底板之间的接触

在盖板（接触表面）和基板（目标表面）之间定义摩擦接触对。表面投影接触检测方法（KEYOPT（4）=3）用于该接触对。

材料属性

采用双线性各向同性硬化模型（TB，BISO）的结构钢对螺栓和板进行建模。

边界条件和加载

底板的底面在所有方向上都受到约束。在预加载螺栓后，将压力载荷施加到盖板的上表面。

• 在第一个加载步中，通过SLOAD命令将2544690 N的预紧力加载施加到预紧截面上。

• 在第二载荷步中，将50MPa的压力载荷（小于等效预紧载荷）施加到盖板的上表面。

分析和求解控制

在两个加载步中进行非线性静态分析。分析中包括大变形效应（NLGEOM）。

结果和讨论

对所有三种方法的比较研究表明了螺栓截面法的有效性和简单性。

2-D模型的结果

轴向（UY）位移

在下图中可以观察到预紧效应，其中两个螺栓段相互拉动。

Von Mises应力

下面的von Mises应力图显示，所有三种方法中的杆部应力都相似。用户自定义的等高线值用于比较。仅在局部区域（如螺纹区域或螺栓头和盖板接触区域附近）观察到变化。

螺栓截面法的螺纹区域应力图与真实螺纹模拟的应力图非常匹配，MPC法的应力曲线也有所不同。应力图之间的比较表明，可以采用螺栓截面法精确模拟螺栓中的螺纹行为和杆部应力。

沿一条路径的线性化应力

对于所有三种方法，y=280时螺栓杆沿路径的线性应力相似。真实螺纹模拟值为329.2 MPa，螺栓截面法为329.7 MPa，MPC法为330.10 MPa。

3-D模型的结果

接触状态

在螺栓截面法的接触状态图中可以观察到螺旋图案。如果网格在螺纹区域中足够精细，则可以获得更精确的螺旋图案。

轴向（UY）位移

在下图中可以观察到预紧效应，其中两个螺栓段相互拉动。

Von Mises应力

与二维情况类似，三维模型的von Mises图显示，所有三种方法中的杆部应力相似，仅在局部区域观察到变化。

螺栓截面法的螺纹区域应力图与真实螺纹模拟的应力图非常匹配，MPC法的应力曲线也有所不同。这验证了螺栓截面法达到接近真实螺纹模拟精度的结论。

截面处的Von Mises应力

对于所有三种方法，y=280截面处螺栓杆的平均von Mises应力相似。真实螺纹模拟的值为330.63 MPa，螺栓截面法为330.10 MPa，MPC法为330.44 MPa。

计算时间的比较

从下表可以明显看出，螺栓截面法的计算成本低于真实螺纹模拟。MPC方法是计算成本最低的方法，但螺纹效果会丢失。

下图显示了能量释放率的增加，直到发生失效：

Von Mises应力和计算时间的比较表明，通过螺栓截面法可以实现对螺栓螺纹行为和杆部应力结果的精确模拟，并显著节省了模拟时间。

建议

以下几点对于螺栓螺纹建模很重要：

• 螺栓圆柱面应为接触面，螺栓截面应分配给接触单元。

• 轴数据点的坐标（SECDATA需要）应在螺栓轴上，并在全局坐标系中定义。

• 为了获得更好的精度，螺纹区域中的网格尺寸应小于螺距距离。

• 我们建议您使用基于投影的接触检测方法（KEYOPT（4）=3）。

• 该技术仅适用于标准直螺纹。它不适用于锥形螺纹或支撑螺纹等非标准螺纹。

• 螺纹区域的最大应力可能随网格密度而变化。然而，整体应力分布在模式上仍然相似。