01 前言

前文通過一些實際現象應該能夠讓大家認識到：螺紋連接的力學行為比表面上看起來更加復雜，因此要使用數值仿真工具對其進行合理地分析并不容易

但不幸的是，這種連接方式恰恰在實際中使用非常廣泛，并且很多時候出現在主傳力路徑上，因此進行裝配體分析，不可避免需要與大量的螺紋連接打交道

雖然筆者目前對于螺紋連接的處理仍然存在一些困惑，但仍希望借文章形式就目前的部分想法和大家進行交流和探討

內容僅代表個人觀點，希望大家有選擇性地參考

02 簡化思路

為什么簡化？

有些小伙伴可能會困惑：“實體螺栓+接觸（不考慮螺紋）”多么完美的處理方式，還有必要簡化么？

回答當然是肯定的，主要有幾點原因：

①復雜裝配體動輒成百上千的螺栓連接，大量的螺栓連接直接導致費時的接觸對創建工作

有伙伴會說：現在很多軟件可以使用批處理，自動識別接觸對或者通用接觸大幅度縮減這部分工作量

但是??

②螺栓連接涉及接觸非線性問題，非線性的引入使得求解需要迭代，對于大型裝配體，其調試成本，計算時間不容小覷

有伙伴會說：公司電腦擱那放著，啥時候算完啥時候提取結果，并且用顯式動力學不存在接觸收斂問題

但是??

③顯式動力學雖然不存在接觸收斂問題，其對網格尺寸相當敏感，而螺栓局部特征相對于整體一般較小，直接導致計算量拉跨

有伙伴會說：上超算，開并行，再大計算量都不是問題

但是??

④大部分結構動力學分析基于線性動力學體系，也就是說模態分析，諧響應分析，線性瞬態分析，隨機振動分析，譜分析都不能考慮非線性效應

有伙伴會說：將螺栓預緊后的狀態作為預應力考慮到后續線性動力學工況中

確實這樣在一定程度上是可行的

但是從個人角度，最關心的還是計算量及前后處理的便捷性，因此大部分時間還是會考慮對螺栓連接進行進一步等效處理

簡化什么？

如圖所示，螺栓體系主要包含變形行為（螺栓變形+被連接件變形）以及接觸行為（螺母接觸+螺栓頭接觸+螺紋接觸+螺母接觸等）

其中變形行為反應了螺栓體系受到外力作用后的變形情況，對應螺栓體系的等效剛度，主要包含螺栓等效剛度和被連接件等效剛度

接觸行為反映了螺栓體系之間的連接關系，對應接觸面之間的粘合，分離及滑移

因此螺栓連接體系簡化的核心就是：使用各種單元或者連接關系來等效替代真實的連接剛度及連接關系

怎么簡化？

首先，螺栓完成擰緊之后，如果沒有發生旋轉型松動，螺栓與螺母嚙合螺紋之間理論上相對滑移量較小，可以使用綁定接觸替代

其次，由于摩擦型螺栓要求外載作用下不發生分離和滑移，因此螺栓頭→被連接件，螺母→被連接件實際行為也類似于綁定接觸

一旦可以使用綁定接觸考慮問題（線性問題），那么約束方程，耦合，各類連接單元都可以引入進來，這樣問題的核心就只剩下如何合理等效連接體系剛度

最后，被連接件未分離之前，軸向連接剛度基本呈現線性關系；切向剛度由于摩擦阻力作用因此可以不進行考慮；彎曲剛度相對較為復雜，與工況和模型相關并呈現顯著非線性行為

而剛度的等效可以使用彈簧單元，cbush單元，梁單元以及實體單元

這樣，整個簡化的初始思路基本就確定了，下面需要做的就是將各種方案進行對比驗證，得到各自使用的精度和條件

按照前文思路，分別從連接關系及連接剛度兩方面進行探討

注意的問題？

需要注意的是，不管采用何種簡化方案，最終目的一般有兩個：

①合理等效連接行為，使其不影響整體計算精度

②合理選取等效方法，使得后處理更便于提取校核相關參數

因此進行等效時，一定要根據實際需求圍繞這兩點進行，不能單純為了等效而等效。

作者：聰聰    來源于：仿真求知之路