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深度探究 | Ansys Mechanical螺栓模拟及螺栓预紧
时间:2024年09月27日
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螺栓是一种常用的结构连接形式,是一种可拆卸连接,通常可以配用螺母一起使用,或与螺纹孔通过螺纹啮合进行连接。

很多机械设备、钢结构建筑、各类电子产品、电力设备等各行各业都有许多地方使用到螺栓。螺栓在工业上有着举足轻重的地位,在数值仿真当中也是一个比较重要的领域,本文将重点介绍包括螺栓的模拟、螺栓预紧力模拟、以及螺栓的校核等。


Ansys 螺栓模拟及螺栓预紧

螺栓的模拟


螺栓的螺纹相对于其连接的产品而言,一般属于非常细微的特征,如果完全真实的去创建螺栓螺纹模型,对于有限元仿真来说会造成非常巨大的网格差异,螺纹处的网格需要很细致才能够准确代表其几何特征,代价则是昂贵的计算。

一般来说,螺栓在结构当中的主要作用是连接和固定,是否详细创建螺纹细节对整体分析的影响并不是很大。

结构仿真一般以以下几个方式模拟螺栓:

  • 无螺纹圆柱:通过螺头和螺母的接触或螺杆与螺孔的接触模拟螺栓连接效果;

  • 梁单元:通过定义梁单元两端的节点与螺栓螺头和螺母的投影印记面耦合模拟螺栓连接效果;

  • 直接以其它共节点或共享拓扑面等形式定义被螺栓连接的结构。

如果要考虑螺纹本身的强度结果,可以根据以上简化的螺栓所获取的作用力,对于螺栓单体进行强度校核,类似子模型的方式进行详细螺纹强度分析


Ansys 螺栓模拟及螺栓预紧

螺栓预紧力


在结构仿真中考虑螺栓时,预紧力有时候是要特别考虑的。

当一个螺栓被预紧时,相当于通过螺母的转动减少了螺栓握固长度,从而引起被螺栓连接的两个结构相互挤压的效果,从而实现预紧。

一般而言,工程上是以预紧扭矩来定义螺栓预紧的,Ansys Mechanical提供了螺栓预紧Bolt Pretension这个特殊的载荷功能模拟这个影响。

Bolt Pretension通过自动切断实体网格中间的节点,生成特定的单元(螺栓预紧单元),这一单元的两个节点可以定义数值上的偏移,带动其它相关网格进行变化,实现预紧力效果。

Bolt Pretention可以作用于圆柱面、线体、多个实体、或梁连接。通过对预紧单元施加力F(牛顿)或强制位移U(米),并在接下来的分析载荷步中修改为Lock(锁定)。


Ansys 螺栓模拟及螺栓预紧

螺栓校核


螺栓强度的校核一般是通过规范和手册来进行,针对不同类型的螺栓有经验性的校核指导。

常见的结构仿真当中,一般仅考虑螺栓连接作用和预紧作用。

Ansys Mechanical中在接触属性当中还开发了虚拟螺纹技术,通过在接触定义中添加Contact Geometry Correction(接触几何修正),可以选择Bolt Thread(螺栓螺纹)选项,定义螺纹参数:

  • Mean Pitch Diameter 平均节圆直径

  • Pitch Distance 螺纹距离

  • Thread Angle 螺纹角

  • 定位的起始点
螺栓螺纹建模功能用于生成准确的螺栓螺纹应力剖面,无需在实体几何汇总引入螺纹细节。接触法向是基于自定义螺栓螺纹参数内部计算的,只适用于标准直螺纹,小应变、小旋转公式。更容易设置,提高运行效率。







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