連接關系處理

參考模型

為了得到更加有價值的對比結果，我們構造如下參考模型：

由于是對比螺栓與被連接件之間的接觸行為，因此挑選螺栓頭部與被連接件上表面作為典型接觸行為進行探討，同時為了更好捕捉到接觸區域變形，該部分至少使用10層網格進行離散

考慮到螺栓桿剛度對螺栓頭部變形有一定貢獻從而會影響接觸面行為，因此并未直接將載荷施加到螺栓頭部，而是使用更加真實的施加在螺栓桿中部

為了防止連接體系滑移，除了約束被連接件底面整體的軸向變形外，再加上螺栓桿中部的側向變形約束，并考慮一定程度摩擦力

螺栓桿直徑10mm，被連接件孔直徑直徑11mm，厚度20mm，寬度50mm，材料均為普通鋼材，螺栓桿與被連接件表面常規接觸（摩擦系數0.2），施加100MPa軸向拉應力

按照上述要求得到對應有限元模型如下（1/2模型）：

首先觀察指定拉力載荷下整體結構變形云圖及應力云圖：

可以觀察到：

①整體變形主要為螺栓處，被連接件表面變形相對較小

②整體應力除螺栓上外，被連接件接觸表面應力水平也較高

因此從整體剛度重要性把控來看：螺栓體系剛度＞局部連接剛度，但需要注意的是，由于參考模型中被連接件較厚并且都為鋼材，如果遇到被連接件為鋁材或者較薄情況，局部連接剛度的重要性會上升

下面詳細查看局部接觸部位的變形：

可以觀察到在較大軸向拉力作用下實際被連接表面的側向滑移量較小

詳細提取接觸表面的變形情況：

根據曲線可以看出，在靠近接觸面部位變形最為明顯，遠離接觸面部位變形影響逐漸減小，到端部基本沒有影響

接下來查看接觸區域的壓力分布：

從節點接觸反力來看，壓力并不是均勻的分布在接觸面上，而是兩端較大，中部相對小一些，也就是說具有邊緣效應

對比模型

為了簡化上述非線性接觸，這里篩選了幾個常用的備選方案：

綁定接觸大家相對比較熟悉，表示接觸面既不發生分離也不發生滑移，類似于面-面的耦合，連接剛度由接觸面對綜合決定

Rbe2代表一種特殊的多點約束方式，不同求解器中叫法不同，比如simulation中叫“剛性”，ansys中叫“cerig”，abaqus中叫“coup_kin”，體現一種剛性的連接行為

Rbe3也代表一種特殊的多點約束方式，simulation中叫“分布”，ansys中叫“rbe3”，abaqus中叫“coup_dis”，體現一種柔性的連接行為

當然，用來模擬綁定連接行為的方式還有很多，比如分布式的rbe2，分布式的rbe3，梁單元等等，本文僅對常用幾種進行探討，在探討的過程中大家自然可以感受到為什么會有這么多方式

對比計算

行為區別

首先使用接觸面區域建立三種連接關系，對比施加同樣工況下被連接件的變形結果及趨勢：

通過被連接件整體變形可以得到：

①Rbe2剛化作用導致局部變形一致，與實際變形趨勢相差較大

②綁定接觸和Rbe3變形趨勢目測更加接近實際，但是影響的變形范圍存在差異

下面詳細提取被連接件表面變形數據：

通過變形曲線可以得到：

①不同連接方式差異主要體現在接觸區，接觸區外變形的相對誤差均在可接受范圍內

②接觸區域變形程度：Rbe3＞實際接觸＞Bond＞Rbe2

為了更加量化去對比不同方式在接觸區域的差異，以接觸區域RMS變形作為接觸面等效壓縮變形，得到Contact，Bond，Rbe2，Rbe3方式得到的等效變形分別為：2.64um，2.22um，2.00um，2.78um

也就是Bond，Rbe2，Rbe3方式誤差分別為-15.9%，-24.2%，+5.3%，因此對于該模型，單從變形結果精度排序是：Rbe3＞Bond＞Rbe2

范圍區別

綁定接觸是通過螺栓頭和被連接件的實際接觸面建立，連接范圍為螺栓頭部下端面，而rbe2和rbe3是通過節點耦合方式建立，因此連接范圍是人為可調的，如下所示：

由于不同連接范圍對應不同局部變形程度，只要找到最合適的連接范圍，就能從該參數上去修正不同連接方式產生的局部變形程度

為了使得結果更加具有規律性，這里以螺栓孔徑D作為基本值，分別計算rbe2和rbe3連接范圍為1.1D，1.2D，1.3D，1.4D，1.5D，1.6D下接觸面的變形結果：

Rbe2

Rbe3

將不同連接范圍結果的接觸面RMS值與標準RMS值進行繪制：

根據曲線結果，該尺寸模型大致可以估測：rbe2連接方式，耦合范圍約為1.2D~1.25D時局部剛度比較準確；rbe3連接方式，耦合范圍約為1.6D~1.7D時局部剛度比較準確

當然上述初步結論僅僅是基于文中所述模型，還需要進行多輪模型對比才能得到更具有普遍性的規律（并且還未考慮墊圈作用），這里暫不深究

來源于： 仿真求知之路   作者：聰聰