通常情況下，如果網(wǎng)格處理合適，由于實(shí)體單元能夠體現(xiàn)的細(xì)節(jié)較梁板殼更多，因此計(jì)算結(jié)果精度理論上也更高。但是，最近梳理螺紋連接相關(guān)知識時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)好像并不是如此，或者說，使用實(shí)體單元對螺栓進(jìn)行分析時(shí)，確實(shí)會(huì)遇到頗多問題

01、引例說明

如圖所示法蘭結(jié)構(gòu)，螺栓M10，等級8.8，現(xiàn)在需要模擬其在受到軸向載荷F和扭轉(zhuǎn)載荷M作用下螺栓及法蘭的應(yīng)力分布以用于強(qiáng)度校核，螺栓預(yù)緊力P

不考慮螺紋細(xì)節(jié)，螺母與螺栓之間在對應(yīng)位置使用綁定接觸連接；螺栓頭部-被連接件，螺母端部-被連接件，被連接件之間均使用常規(guī)摩擦接觸

第一步，通過預(yù)緊單元施加螺栓預(yù)緊力

第二步，鎖定預(yù)緊力并施加集中力/力矩

通常，上述過程被認(rèn)為是使用實(shí)體單元模擬螺栓進(jìn)行計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)流程

按照這一流程，我們對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并提取剖面應(yīng)力分布

根據(jù)云圖標(biāo)識結(jié)果，螺栓最大局部米塞斯應(yīng)力為611MPa，位于螺栓頭部下端，小于材料的屈服強(qiáng)度640MPa，因此螺栓在給定工況下安全，安全系數(shù)為611/640=1.05

02、案例思考

上述校核過程看起來好像并沒什么不妥，按照強(qiáng)度準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)應(yīng)力≤許用應(yīng)力，每一步都非常合理，但僅僅這樣就給出校核結(jié)果過于草率

在文章中，根據(jù)螺栓可能的失效模式，給出了以下幾部分需要校核的內(nèi)容

①螺栓預(yù)緊時(shí)光桿應(yīng)力＜材料屈服強(qiáng)度

②螺栓加載時(shí)光桿應(yīng)力＜材料屈服強(qiáng)度

③被連接件夾緊壓力＞密封壓力

④螺栓應(yīng)力幅＜螺栓拉伸疲勞極限

⑤螺栓最大拉應(yīng)力＜材料抗拉極限

⑥被連接件摩擦力＞橫向剪切力

⑦螺栓剪切應(yīng)力＜材料剪切強(qiáng)度

⑧嚙合長度、表面壓潰、螺栓松動(dòng)等

根據(jù)上述校核需求，我們一起來看下，有多少結(jié)果是直接可以通過實(shí)體有限元計(jì)算得到（為什么需要校核這些內(nèi)容可以參考前文）

螺栓預(yù)緊時(shí)光桿應(yīng)力＜材料屈服強(qiáng)度

有限元分析中預(yù)緊的施加是通過預(yù)緊力單元直接加載在軸中，而實(shí)際操作是通過螺紋的擰緊實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，也就是說，有限元中計(jì)算的螺栓應(yīng)力并不包含扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用

螺栓加載時(shí)光桿應(yīng)力＜材料屈服強(qiáng)度

由于安裝所帶來的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力影響隨著時(shí)間會(huì)逐漸降低到次要影響，因此加載時(shí)主要考慮螺栓預(yù)緊力與外載作用。但問題在于，有限元計(jì)算直接提取的最大應(yīng)力往往是集中應(yīng)力，也就是說，圖中606MPa并不能直接用于螺栓校核，相對的，應(yīng)該取光桿表面應(yīng)力450MPa作為校核應(yīng)力更加合理

被連接件夾緊壓力＞密封壓力

這一部分校核使用有限元校核確實(shí)相對容易許多，因?yàn)槟軌蛑苯犹崛「鱾€(gè)接觸面之間的接觸壓力，并且能夠觀察到接觸面的壓力分布情況對螺栓的連接狀況進(jìn)行判斷

螺栓應(yīng)力幅＜螺栓拉伸疲勞極限

前文也說明過，對螺栓疲勞性能影響最大首先是應(yīng)力幅，然后是局部細(xì)節(jié)特征，因此對螺栓進(jìn)行疲勞校核時(shí)，可以使用加載前后螺栓桿處的應(yīng)力幅，比如上圖中加載后相比于預(yù)緊時(shí)，表面應(yīng)力只變化了1MPa，也就是使用該值作為應(yīng)力幅與螺栓疲勞極限進(jìn)行對比（大部分載荷波動(dòng)在被連接件中，這也表明預(yù)緊的重要性）

螺栓最大拉應(yīng)力＜材料抗拉極限

這部分可能會(huì)有伙伴納悶，需要最大拉應(yīng)力＜屈服強(qiáng)度，那不是必然＜抗拉強(qiáng)度？實(shí)際上確實(shí)是如此，但是這仍然是一個(gè)重要連接參數(shù)，因?yàn)槟軌虻玫铰菟估踩禂?shù)，并且螺栓達(dá)到屈服后，螺栓會(huì)發(fā)生分離，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)緊力消失，因此該參數(shù)的計(jì)算并不適合直接使用有限元計(jì)算應(yīng)力直接與抗拉極限比較，而更推薦使用接觸反力得到螺栓軸力，使用軸力/截面進(jìn)行計(jì)算

被連接件摩擦力＞橫向剪切力

有限元分析中，如果被連接件摩擦力＜橫向剪切力，那么計(jì)算會(huì)不收斂，但是由此帶來一個(gè)問題，滿足要求后，我們并不知道施加結(jié)構(gòu)能夠承受多大的剪切載荷，因?yàn)榧羟辛Χ急贿B接件接觸面抵消，不知道分擔(dān)到每個(gè)螺栓預(yù)緊局部需要承擔(dān)多大的剪切力，也就是很難精確校核

螺栓剪切應(yīng)力＜材料剪切強(qiáng)度

與上面相同原因，由于摩擦力被抵消掉了，每個(gè)螺栓預(yù)緊局部需要承擔(dān)的剪切力很難單獨(dú)提取出來，因此無法直接對該參數(shù)進(jìn)行校核

總結(jié)上述結(jié)果，也就是實(shí)體螺栓計(jì)算可以校核②③④⑤⑥，但是②中無法考慮剩余剪切應(yīng)力影響，③使用有限元分析能夠較好處理，④中需要對比加載前后得到應(yīng)力幅，⑤中需要額外提取接觸反力，⑥只能得到結(jié)論但是較難得到極限抗剪能力，而對于①⑦及⑧中部分存在的問題會(huì)較多

03、實(shí)體螺栓建模的優(yōu)缺點(diǎn)

上述內(nèi)容可能會(huì)讓人覺得筆者是不是對有限元分析要求太高了

從客觀角度講，實(shí)體螺栓建模最大的優(yōu)勢并不在于螺栓校核方面，而是在于能夠較為準(zhǔn)確地模擬螺栓對整體結(jié)構(gòu)的影響

也就是說，實(shí)體螺栓+摩擦接觸組合，能夠較為準(zhǔn)確的體現(xiàn)螺栓在受到各種載荷下的變形以及接觸情況，直接影響裝配體靜剛度以及動(dòng)剛度性能的模擬是否準(zhǔn)確，而這也是其它簡化方式很難計(jì)算部分

而實(shí)體螺栓建模的缺點(diǎn)也非常明顯

首先引入了非線性接觸作用，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間較長，分析類型也受到限制

其次實(shí)體螺栓中各種典型體系內(nèi)力不便于獲取或者存在缺失，增大了校核難度

為了降低接觸的計(jì)算量和后處理提取內(nèi)力的問題，實(shí)體螺栓的替代方案是實(shí)體+梁或者純梁模型，但是依舊避免不了非線性接觸的引入

那么，有限元分析對于螺栓連接到底怎么處理更合適呢？這部分內(nèi)容在下一篇文章中更新

來源于：仿真求知之路