ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）

陽普科技

2021年7月29日 11:28

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使用ANSYS Workbench模擬螺栓連接有許多種方法，這篇文章對多種方法給出一個概覽，下面是按照復雜度以及建模保真度列出的一個清單。

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

這篇文章涵蓋方法1-4，下篇文章會涵蓋5-7。測試案例使用如下信息建模分析：一個鋼制平板連接到C型槽（寬度250mm）上，螺栓M16，螺母M16，1000lbs（磅，約454kg）施加于平板端部，C型槽底部固定。

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖1

1) No bolts – Bonded connection

這是最簡單的連接，從裝配體里面刪除螺栓和螺母。在螺栓孔的周圍使用綁定連接，綁定區域的直徑等于墊片所使用的，如下圖所示。綁定區域模擬接合處的摩擦抓緊。（注：區域可以考慮Workbench里面的分割或者投影，建議建立好對應的主從接觸面作為一個集）

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖2

2) Beam Bolts

這種方法是使用螺栓和螺母頭的邊（Edge）在平板上創建一個印記面（Imprint）來與螺栓螺母相接觸。如果使用了墊片（Washer），那就使用墊片邊界的邊來創建印記面。接下來，抑制掉（suppress）實體螺栓和螺母，在Mechanical應用模塊通過Body-Body-->Beam Connecton來創建梁連接。對于參考面和移動面可以在Design Modeler里用圓形（墊片通常是圓形的）或六邊形（常見是六角螺栓頭/螺母）創建。（注：也可以參考靜力學里面在DM里面創建）

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖3

梁連接是在梁節點（兩端）與參考面、移動面之間創建約束方程（Constraint Equations），行為可以是剛性或柔性，即便這些選項沒法獲得螺栓頭和螺母的真正剛度。螺栓的預緊可用如下公式計算：

F = c * At * Spc = 0.75 為Temporary Connection，c = 0.89 為PPermanent ConnectionAt為螺栓拉伸區域Sp為螺栓Proof strength，等于螺栓材料屈服強度的85%

新版本里面，螺栓預緊可用于梁建模的螺栓，老版本需要用APDL Command，配合板之間設為摩擦接觸。

3) Spring Bolts

第三類螺栓連接為彈簧螺栓，類似于梁建模的螺栓。需要給定預緊或者預加載值給彈簧Joint（details對話框里）。彈簧的剛度基于螺栓脛的幾何

Ks = E*At/LsE為楊氏模量At為拉伸螺栓的脛面積Ls為脛長度，等于配合板的總厚

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖4

4) 3D Solid Bolts

這是到目前為止保真度最高的螺栓連接。這種建模可以捕捉到螺栓和螺母的剛度以及脛接觸到螺栓孔后的滑動效應。缺點就是計算太昂貴，尤其是在一個大型裝配體里面有多個螺栓，因此這種方式特別適合子模型。建模關鍵步驟如下：

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖5

在轉化為有限元模型之前移除不需要的特征，如圓角、倒角等以創建優質的網格。應該通過螺母的邊用投影法劈開螺栓脛的面，在螺母面的脛處劈開很重要，因為Mechanical中的預緊載荷會把脛一分為二，然后把它們拉在一起以施加預緊載荷。所選的預緊面應該和任何綁定接觸分開，如螺母與脛之間的綁定接觸，否則施加預緊時可能引起問題。螺栓應該使用多區域（Multi Zone）來劃分六面體網格。配合板之間應該使用摩擦接觸，螺栓頭與平板、螺母與平板之間可以是摩擦接觸或者綁定，摩擦接觸更符合實際，但是也更消耗計算資源。如果需要分析螺栓后滑移失效，脛與螺栓孔之間應該使用摩擦接觸。詳細接觸如下：

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖6

仿真結果如下圖：

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖7

依據應力云圖和幅值，梁與3D建模的螺栓仿真結果幾乎一致。綁定連接的結果很不一樣，所有仿真結果使用同樣的網格。

螺栓連接結果后處理

后處理包含獲取關鍵結果，我們依據這些關鍵結果做出關鍵的決定。正如螺栓連接，我們關心峰值應力（Peak Stress）、接觸滑移以及脛總的軸向載荷，軸向載荷用于分析螺紋。對于梁建模的螺栓，我們使用梁探測（Beam probe)即可獲得軸向載荷。我們可以獲得軸向載荷、力矩以及剪力，在節點I & J處。對于3D螺栓，我們需要創建構造面來切分螺栓的脛，這個構造面應該處在至少有一個到兩個單元遠離預緊切分區域，否則得到錯誤的結果。切分區域很容易確認的一種方式是查看總體變形圖，如下所示：

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖8

為了找到總的力，我們需要設定反力探測（Reaction Probe）--> Location Method ，然后選擇上面的創建的構造面。我們就可以獲得合力（Resultant Force），像上圖那樣的。下面是一個簡短的螺栓建模比較，使用接觸工具我們可以查看接觸行為，注意到：在滿載荷下，黏結區域略有收縮，這種收縮暗示平板的滑移。如果黏結區域消失，我們就認為摩擦抓緊類型的螺栓連接失效。下圖是實體螺栓的接觸狀態，梁接觸結果即使與它不同，也非常相似。

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖9

結論

關鍵結果總結如下表，

ANSYS Workbench中的螺栓連接（一）的圖10

綁定接觸的求解時間相比較梁建模以及3D實體建模僅為一小部分，這種差異主要是因為綁定接觸為線性分析。而梁建模與3D實體建模分析時間相當，然后對于許多螺栓的子模型，這種差異就十分明顯。梁建模可以作為一種全局分析，尤其，問題的規模不是特別大時，缺點就是：由于板之間是摩擦接觸，所以必須進行非線性分析。實體螺栓用于大型裝配體里面關鍵連接的子模型建模。

來源于： SimulationX

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