ANSYS Workbench中螺栓连接的详细应用

使用ANSYS Workbench模拟螺栓连接有许多种方法，这篇文章对多种方法给出一个概览，下面是按照复杂度以及建模保真度列出的一个清单

No bolts – bonded connectionsBeam BoltsSpring Bolts3D solid bolts3D solid bolts with joint pretension load3D solid bolts with simulated threads2D axisymmetric threaded connection



   这篇文章涵盖方法1-4，下篇文章会涵盖5-7。测试案例使用如下信息建模分析：一个钢制平板连接到C型槽（宽度250mm）上，螺栓M16，螺母M16，1000lbs（磅，约454kg）施加于平板端部，C型槽底部固定。
  
  

1) No bolts – Bonded connection

这是最简单的连接，从装配体里面删除螺栓和螺母。在螺栓孔的周围使用绑定连接，绑定区域的直径等于垫片所使用的，如下图所示。绑定区域模拟接合处的摩擦抓紧。（注：区域可以考虑Workbench里面的分割或者投影，建议建立好对应的主从接触面作为一个集）
 

2) Beam Bolts

这种方法是使用螺栓和螺母头的边（Edge）在平板上创建一个印记面（Imprint）来与螺栓螺母相接触。如果使用了垫片（Washer），那就使用垫片边界的边来创建印记面。接下来，抑制掉（suppress）实体螺栓和螺母，在Mechanical应用模块通过Body-Body-->Beam Connecton来创建梁连接。对于参考面和移动面可以在Design Modeler里用圆形（垫片通常是圆形的）或六边形（常见是六角螺栓头/螺母）创建。（注：也可以参考静力学里面在DM里面创建）

梁连接是在梁节点（两端）与参考面、移动面之间创建约束方程（Constraint Equations），行为可以是刚性或柔性，即便这些选项没法获得螺栓头和螺母的真正刚度。螺栓的预紧可用如下公式计算：

F = c * At * Spc = 0.75 为Temporary Connection，c = 0.89 为PPermanent ConnectionAt为螺栓拉伸区域Sp为螺栓Proof strength，等于螺栓材料屈服强度的85%



   新版本里面，螺栓预紧可用于梁建模的螺栓，老版本需要用APDL Command，配合板之间设为摩擦接触。
  
  

3) Spring Bolts
 

第三类 螺栓连接为弹簧螺栓，类似于梁建模的螺栓。需要给定预紧或者预加载值给弹簧Joint（details对话框里）。弹簧的刚度基于螺栓胫的几何

Ks = E*At/LsE为杨氏模量At为拉伸螺栓的胫面积Ls为胫长度，等于配合板的总厚

4) 3D Solid Bolts

这是到目前为止保真度最高的螺栓连接。这种建模可以捕捉到螺栓和螺母的刚度以及胫接触到螺栓孔后的滑动效应。缺点就是计算太昂贵，尤其是在一个大型装配体里面有多个螺栓，因此这种方式特别适合子模型。建模关键步骤如下：

在转化为有限元模型之前移除不需要的特征，如圆角、倒角等以创建优质的网格。应该通过螺母的边用投影法劈开螺栓胫的面，在螺母面的胫处劈开很重要，因为Mechanical中的预紧载荷会把胫一分为二，然后把它们拉在一起以施加预紧载荷。所选的预紧面应该和任何绑定接触分开，如螺母与胫之间的绑定接触，否则施加预紧时可能引起问题。螺栓应该使用多区域（Multi Zone）来划分六面体网格。配合板之间应该使用摩擦接触，螺栓头与平板、螺母与平板之间可以是摩擦接触或者绑定，摩擦接触更符合实际，但是也更消耗计算资源。如果需要分析螺栓后滑移失效，胫与螺栓孔之间应该使用摩擦接触。详细接触如下：

仿真结果如下图：

依据应力云图和幅值，梁与3D建模的螺栓仿真结果几乎一致。绑定连接的结果很不一样，所有仿真结果使用同样的网格。

螺栓连接结果后处理

后处理包含获取关键结果，我们依据这些关键结果做出关键的决定。正如螺栓连接，我们关心峰值应力（Peak Stress）、接触滑移以及胫总的轴向载荷，轴向载荷用于分析螺纹。对于梁建模的螺栓，我们使用梁探测（Beam probe)即可获得轴向载荷。我们可以获得轴向载荷、力矩以及剪力，在节点I & J处。对于3D螺栓，我们需要创建构造面来切分螺栓的胫，这个构造面应该处在至少有一个到两个单元远离预紧切分区域，否则得到错误的结果。切分区域很容易确认的一种方式是查看总体变形图，如下所示：
 

为了找到总的力，我们需要设定反力探测（Reaction Probe）--> Location  Method ，然后选择上面的创建的构造面。我们就可以获得合力（Resultant Force），像上图那样的。下面是一个简短的螺栓建模比较，使用接触工具我们可以查看接触行为，注意到：在满载荷下，黏结区域略有收缩，这种收缩暗示平板的滑移。如果黏结区域消失，我们就认为摩擦抓紧类型的螺栓连接失效。下图是实体螺栓的接触状态，梁接触结果即使与它不同，也非常相似。

结论

关键结果总结如下表，

绑定接触的求解时间相比较梁建模以及3D实体建模仅为一小部分，这种差异主要是因为绑定接触为线性分析。而梁建模与3D实体建模分析时间相当，然后对于许多螺栓的子模型，这种差异就十分明显。梁建模可以作为一种全局分析，尤其，问题的规模不是特别大时，缺点就是：由于板之间是摩擦接触，所以必须进行非线性分析。实体螺栓用于大型装配体里面关键连接的子模型建模。
 

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