本showcase演示了一種通過螺栓截面法模擬螺栓螺紋的簡化建模技術——螺栓螺紋建模技術（螺紋截面法）。該方法得到的近似結果接近于真實螺紋螺栓模型的精度，但不需要詳細的螺紋幾何和精細的網格離散。螺栓截面法還大大節省了模擬時間。

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【簡介】

    螺栓連接用于將兩個或多個部件連接在一起，形成一個機械結構的組件。為了實現螺栓連接結構的預期物理行為，需要一個詳細的三維螺栓模型，包括螺栓預拉力效應和接觸界面的摩擦行為。然而，對于大型、復雜的結構，由于問題規模的限制和與分析整個結構相關的計算成本，螺栓連接的詳細建模是困難的。

    螺栓螺紋建模技術 可用于2-D和3-D接觸單元，提供了簡化的建模，精度接近于真正的螺紋螺栓模型。螺栓螺紋建模技術可以通過分配一個“螺紋截面” (由SECTYPE命令定義)來模擬覆蓋在光滑圓柱形螺栓表面上的接觸元素。為了近似螺栓的行為，根據用戶指定的螺紋幾何數據和螺栓軸的端點(通過SECDATA命令輸入)在內部執行計算。

    螺栓螺紋建模技術對于系統級建模是很有用的，其中螺栓的主要功能是傳遞負載。由于沒有幾何細節和網格離散化，該方法在計算成本上也不昂貴。該技術可應用于三維模型和二維軸對稱模型。

【案例介紹】

    螺栓連接的兩個主要特性是預緊和螺紋配合部分的接觸。為了模擬螺栓的配置，建立了M120螺栓與一個蓋板和一個底板模型。

    螺栓的最大直徑為120mm，節徑為116mm，節距為6mm，半螺紋角度為30度（按標準螺紋輪廓）。

    螺栓預緊力為256446 N，模擬實際螺栓現象。定義了三個摩擦接觸對（FCP）：一個在螺紋區域內；一個在螺栓頭與蓋板之間；第三個在蓋板與底板之間。對螺栓施加預拉力后，在蓋板上表面施加50Mpa的壓力載荷(小于等效預拉力載荷)。

    由于預緊載荷和摩擦接觸行為所產生的螺栓桿應力（在螺栓頭部和螺栓螺紋之間區域的應力）是螺栓模擬過程中主要關注的問題。該問題的目的是表明螺紋截面法簡化了該螺栓連接的建模，并產生近似的螺紋行為和桿身應力，可與真正的螺紋螺栓模型相媲美。

該案例通過三種方法進行了模擬并進行了對比：

1、方法一：詳細螺紋建模

    該方法是目前最準確的螺栓模擬方法。螺紋的詳細建模提供了模型中準確的螺紋咬合行為。在螺紋區域需要非常精細的網格離散，這使得該方法的計算成本很高。

2、方法二：螺紋截面法（簡化螺栓螺紋建模技術）

    在該方法中，通過分配螺紋截面給覆蓋在光滑圓柱螺栓表面的接觸單元來模擬螺栓螺紋。（不需要詳細的螺紋 幾何建模。）根據SECDATA命令給出的螺紋基本參數后在內部執行計算，以近似螺栓螺紋的行為。這種方法計算成本低。

3、方法三：MPC方法（螺紋區域的綁定行為）

    在該方法中，對螺紋區域定義MPC結合行為。這個方法的計算速度非常快，但是螺紋的詳細行為可能會丟失。

【命令流簡析】

本案例重點命令流為螺紋截面的定義與施加：

螺紋截面的定義規則如下：

Sectype, Secid, Contact, Bolt
Secdata, Dm , P, ALPHA, N, X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2
Dm= 平均螺紋直徑
P = 螺距
ALPHA = 半螺紋角
N = 螺紋扣數
X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2 = 螺栓軸在整體笛卡爾坐標中的兩個端點坐標

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
keyopt,100,4,3               !定義基于表面投影的接觸檢測方法
keyopt,100,10,2                     !每次迭代更新剛度
mp,mu,100,0.15               !摩擦系數
sectype,5,contact,bolt
secdata,116,6,30,,0,0,0,0,162,0
!螺紋截面定義平均半徑116，螺距6，螺紋角60°，螺栓軸（0 0 0）→（0 162 0）
et,101,169
r,100,
cmsel,s,bolt_thread,node
type,100$mat,100$real,100secn,5      !聲明定義的螺紋截面
esurf
cmsel,s,bottomplate_thread,node 
type,101$mat,100$real,100$secn,0$
esurf

【計算結果】

     下面的von Mises應力圖顯示，三種方法的螺栓應力是相似的。區別只在局部區域觀察到，如螺紋區域或接近螺栓頭和蓋板接觸區域。對于第一和第二種方法，能觀察到螺紋區域的鋸齒狀應力分布，而第三種方法丟失了螺紋區域的細節表現。

    由此可見，使用螺紋截面的方法考慮螺紋咬合，即可較準確地模擬螺紋區域的咬合行為，同時也具有節省建模時間和計算成本的優勢。

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