法兰螺栓连接分析：五种不同建模方式的比较

问题描述

螺栓联接的一对带颈对焊法兰承受内压1MPa，远端载荷500N以及轴向拉2389N，试对该法兰联接进行结构静力学分析。（本例目的在于不同建模方式的螺栓联接模拟对比，暂不考虑法兰的强度校核及垫片的密封性能。）

分别采用五种不同的螺栓联接方式模拟：

1）无螺栓、绑定接触；

2）无螺栓、梁连接；

3）线体梁螺栓；

4）实体螺栓（无螺纹）；

5）实体螺栓（有螺纹）。

由于模型及载荷对称，因此分析模型取一半，螺栓联接分别采用3D实体模型及采用体-体梁联接模型，法兰一段接管延伸足够长度（大于2.5√RT），假设支架固定在接管端，螺栓预紧力为25kN。

方法1：无螺栓、绑定接触

无螺栓、绑定接触是最简单的方法，在连接组件的接触面之间定义绑定接触，这个简化方式会使结构过于刚性，且无法得到每个螺栓的载荷。

从图2、图3可以看出法兰端部侧弯变形最大，为0.0816mm；接管端部应力最大为22.8MPa。同时可以使用Contact Tool查看法兰接触压力，如图4所示。接触压力显示弯曲一侧压紧为正压力1.13MPa，另一侧负压力为-3.1MPa，表示此处接触面会分离。

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方法:2：无螺栓、梁连接

本模型中，梁连接是唯一将法兰连接在一起的，螺栓承受所有载荷，结果通常更保守，后续手工计算确定螺栓是否失效。在接触设置中添加梁连接，输入等效圆柱梁半径，参考位置为两连接法兰外端面，其影响范围由弹球区域控制。

可以得到法兰端部侧弯变形增加到0.092mm，接管端部应力强度最大值为22.813MPa。同时可以采用Beam Probe得到梁的轴向力、剪切力、扭矩和弯矩。

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方法3：线体梁螺栓

在DM中创建线体梁，将法兰连接在一起，考虑螺栓预紧力，因此求解步骤分为螺栓预紧及预紧后的操作工况两步。如果考虑垫片行为，则可进一步做法兰密封性能的评估。在接触设置中，添加固定关节类型Fixed，参考点为线体端点，参考面为配对法兰端面，其影响范围由弹球区域控制。

可以得到操作工况下，最大位移发生在法兰面与线体梁螺栓连接处，为0.09mm；而最大应力强度位于螺栓孔处，为141.29MPa。

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方法4： 实体螺栓（无螺纹）

如果考虑更多的螺栓联接的详细特征，如法兰、螺栓、垫片、螺母之间的接触行为，则可以用实体单元建模模拟。在Workbench中，螺栓预紧载荷的施加需要设置两个加载步及子步，同时需要在螺栓上建立局部坐标系，Z方向必须为预紧力加载方向，第一步加载输入预紧力，第二部锁紧；其他操作工况下的载荷在第二部施加。

可以得到操作工况下，螺栓处最大位移为0.1mm，螺栓与螺母在法兰端面的连接处最大应力为215.34MPa。

‍方法5：实体螺栓（有螺纹）

在ANSSY 15.0版本以后，有了螺栓螺纹接触的几何修正功能，该特征将螺栓集中力处理为通过螺纹连接面的分布力，更接近与螺栓应力分布的真实状态（详见:ANSYS Help）。不过使用时要注意以下几点：

1）螺栓为接触面，螺母孔为目标面，不能使用绑定接触，采用非对称接触行为；

2）探测方式不能选择节点垂直于目标面接触nodal-normal to target或高斯点接触on gauss point（程序默认）；

3）螺纹区域的网格密度高，网格划分的单元大小应为1/4螺距。在接触设置中，添加螺栓螺母之间的螺纹接触，非对称行为，增强拉格朗日算法，探测方式为节点垂直于接触面。

具体螺纹设置如下：采用局部坐标系指定旋转轴的起点及终点，设定螺纹中径、螺距、螺纹升角，单线螺纹，右旋。

可以得到操作工况下，螺栓处最大位移为0.12mm，螺栓与螺母在螺纹接触处的最大应力为464.95MPa。

结果讨论

采用探测可以得到线体梁螺栓中间段的应力强度为187MPa，实体螺栓（无螺纹）为 172MPa，实体螺栓（有螺纹）为165MPa。每一种螺栓联接方式得到的总体结果差别均不大，可根据实际情况采用合适的建模方式模拟。

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