該示例問(wèn)題演示了通過(guò)螺栓截面法進(jìn)行螺栓螺紋模擬的簡(jiǎn)化建模技術(shù)。該方法以接近真實(shí)螺栓模型的精度提供近似結(jié)果，但不需要詳細(xì)的螺紋幾何結(jié)構(gòu)和精細(xì)的網(wǎng)格離散化。螺栓截面法還顯著節(jié)省了模擬時(shí)間。

突出顯示了以下特性和功能：

• 通過(guò)將螺栓截面分配給接觸單元，對(duì)2-D/3-D螺栓螺紋進(jìn)行建模。

• 使用預(yù)緊載荷。

介紹

螺栓連接用于將兩個(gè)或多個(gè)零件固定在一起，以形成機(jī)械結(jié)構(gòu)的組件。

為了實(shí)現(xiàn)螺栓連接結(jié)構(gòu)的預(yù)期物理行為，需要一個(gè)詳細(xì)的三維螺栓模型，該模型充分包括螺栓預(yù)緊效應(yīng)和接觸界面處的摩擦行為。然而，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于問(wèn)題尺寸限制和與分析整個(gè)結(jié)構(gòu)相關(guān)的計(jì)算成本，螺栓連接的詳細(xì)建模很困難。

可用于二維和三維接觸單元的螺栓螺紋建模技術(shù)提供了簡(jiǎn)化的建模，其精度接近于真正的螺栓模型。通過(guò)將螺栓截面（由SECTYPE命令定義）指定給覆蓋在光滑圓柱形螺栓表面上的接觸單元，可以模擬螺栓螺紋。為了近似螺栓的行為，根據(jù)用戶(hù)指定的螺紋幾何數(shù)據(jù)和螺栓軸的端點(diǎn)（輸入通過(guò)SECDATA命令）。

螺栓螺紋建模技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)級(jí)建模非常有用，其中主要螺栓功能是傳遞載荷。螺紋區(qū)域中沒(méi)有幾何細(xì)節(jié)和精細(xì)的網(wǎng)格離散化也使其成為一種計(jì)算成本低廉的方法。該技術(shù)可應(yīng)用于三維模型和二維軸對(duì)稱(chēng)模型。

問(wèn)題描述

螺栓接頭的兩個(gè)主要特征是預(yù)緊和配合部件接觸。為了模擬螺栓配置，雙頭螺栓M120用蓋子和底板建模。螺栓承受256446 N的預(yù)緊載荷，以模擬實(shí)際的螺栓現(xiàn)象。定義了三個(gè)摩擦接觸對(duì)（FCP）：一個(gè)在螺紋區(qū)域，另一個(gè)在螺栓頭和蓋板之間，第三個(gè)在蓋板和底板之間。

在對(duì)螺栓施加預(yù)緊力后，對(duì)蓋板的上表面施加50 MPa的壓力載荷（小于等效預(yù)緊力載荷）。在螺栓模擬過(guò)程中，由于預(yù)緊載荷和包括摩擦接觸行為而產(chǎn)生的螺栓桿應(yīng)力（螺栓頭和螺栓螺紋之間區(qū)域的應(yīng)力）是主要關(guān)注的問(wèn)題。

該問(wèn)題的目的是表明螺栓截面法簡(jiǎn)化了該螺栓接頭的建模，并產(chǎn)生了近似的螺紋行為和柄部應(yīng)力，與真實(shí)的螺栓模型相當(dāng)。

該問(wèn)題通過(guò)三種方法模擬：

1. 真實(shí)螺紋模擬

這種方法是最精確的螺栓模擬。螺紋的詳細(xì)建模在模型中提供了準(zhǔn)確的螺紋行為。螺紋區(qū)域需要非常精細(xì)的網(wǎng)格離散化，這使得該方法的計(jì)算成本很高。

2. 螺栓截面法（簡(jiǎn)化螺栓螺紋建模技術(shù)）

在該方法中，通過(guò)將螺栓截面分配給覆蓋在光滑圓柱形螺栓表面上的接觸單元來(lái)模擬螺栓螺紋。（不需要詳細(xì)的螺紋幾何形狀。）根據(jù)SECDATA命令給出的螺紋參數(shù)在內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算，以接近螺栓的行為。這種方法計(jì)算成本低。

3. MPC方法（螺紋區(qū)域的粘結(jié)行為）

在該方法中，MPC結(jié)合行為在螺紋區(qū)域中定義。（不需要詳細(xì)的螺紋幾何結(jié)構(gòu)。）此方法計(jì)算速度非常快，但螺紋行為可能會(huì)丟失。

二維軸對(duì)稱(chēng)和三維模型都用于比較這三種方法。所有三種方法的二維模型設(shè)置如下圖所示：

建模

具有標(biāo)準(zhǔn)螺紋尺寸的M120結(jié)構(gòu)鋼螺栓采用合理尺寸的蓋板和底板建模。進(jìn)行二維和三維螺栓螺紋建模。螺栓和板采用雙線性各向同性塑性材料模型。

帶蓋板和底板的螺栓模型

創(chuàng)建了兩個(gè)模型，一個(gè)具有螺紋表面，另一個(gè)具有光滑的螺栓表面，以證明螺栓截面法相對(duì)于真實(shí)螺紋模擬法的簡(jiǎn)單性和優(yōu)勢(shì)。

帶蓋板和底板的真實(shí)螺紋螺栓模型

三維螺紋螺栓模型表示一個(gè)帶有蓋板和底板的單頭M120螺栓。螺栓的最大直徑為120 mm，中徑為116 mm，螺距為6 mm，半螺紋角度為30度（根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)螺紋輪廓）。

該模型由SOLID186和SOLID187單元組成。在螺紋區(qū)域中執(zhí)行網(wǎng)格細(xì)化。

從三維螺紋幾何圖形中提取二維表面幾何圖形。二維模型用平面183軸對(duì)稱(chēng)單元（KEYOPT（3）=1）劃分網(wǎng)格。

帶蓋板和底板的簡(jiǎn)化螺栓模型

為螺栓和底板創(chuàng)建平滑的圓柱形表面以替代真實(shí)的螺栓建模。

創(chuàng)建了二維軸對(duì)稱(chēng)模型，并用平面183軸對(duì)稱(chēng)單元（KEYOPT（3）=1）劃分網(wǎng)格。

通過(guò)使用EEXTRUDE命令圍繞Y軸拉伸二維軸對(duì)稱(chēng)模型，使用SOLID186單元生成三維模型。

建模預(yù)緊張力截面

預(yù)張力是螺栓結(jié)構(gòu)模擬的最重要方面。它傳遞模型中的載荷，同時(shí)只承受螺栓上的一小部分外部載荷。螺栓上的預(yù)緊力是通過(guò)擰緊螺栓將蓋板固定到底板上而產(chǎn)生的。通過(guò)將螺栓切割成兩段并將每一段向另一段拉動(dòng)，對(duì)螺栓中的預(yù)張力進(jìn)行建模。

以下步驟和命令說(shuō)明了模擬螺栓預(yù)緊的步驟：

1. 對(duì)螺栓進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后切割網(wǎng)格并插入PRETS179單元以形成預(yù)張緊截面。PSMESH命令用于在y=260 mm的螺栓中創(chuàng)建預(yù)張緊單元。

2. SLOAD命令用于施加預(yù)張緊載荷。在第一個(gè)載荷步中，預(yù)張緊載荷作為力施加到節(jié)點(diǎn)K。在第二個(gè)載荷步中力鎖定，允許附加載荷。初始載荷的作用在鎖定后保持為位移。

建模接觸對(duì)

定義了三個(gè)摩擦接觸對(duì)來(lái)模擬模型中的接觸界面。接觸區(qū)的摩擦系數(shù)為0.15。接觸區(qū)用針對(duì)三維情況的CONTA174單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，用針對(duì)二維軸對(duì)稱(chēng)情況的COMTA172單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。使用增廣拉格朗日算法（KEYOPT（2）=0）。目標(biāo)表面用針對(duì)三維情況的TARGE170元件和針對(duì)二維軸對(duì)稱(chēng)情況的STARGE169單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

接觸對(duì)在以下區(qū)域建模：

螺紋區(qū)域的接觸

在螺栓和基板之間限定了一對(duì)面-面接觸。對(duì)于三種模擬方法中的每一種，對(duì)螺紋區(qū)域中的接觸進(jìn)行了不同的建模。

真實(shí)螺紋模擬方法的螺紋區(qū)域接觸

在螺栓螺紋表面（接觸表面）和基板螺紋表面（目標(biāo)表面）之間定義摩擦接觸對(duì)。使用表面投影接觸檢測(cè)方法（KEYOPT（4）=3）是因?yàn)榕c其他接觸檢測(cè)方法相比，它為底層單元提供了更精確的接觸力和應(yīng)力。

螺栓截面模擬方法中螺紋區(qū)域的接觸

在光滑的圓柱形螺栓表面上生成接觸單元（CONTA174用于3-D情況， CONTA172用于2-D情況）。將螺栓截面指定給接觸元件以模擬螺紋。根據(jù)用戶(hù)指定的螺紋幾何數(shù)據(jù)和螺栓軸的兩個(gè)端點(diǎn)在內(nèi)部計(jì)算接觸區(qū)域。目標(biāo)單元（TARGE170用于3-D情況，TARGE169用于2-D情況）覆蓋在基板的光滑圓柱孔上。

SECTYPE和SECDATA部分命令用于定義接觸單元的螺栓部分。這些命令的格式如下所示：

其中

Dm=平均中徑，Dm

P=節(jié)距，P

ALPHA=半螺紋角度，α

N=啟動(dòng)次數(shù)（默認(rèn)為1）

X1、Y1、Z1、X2、Y2、Z2=螺栓軸在全局笛卡爾坐標(biāo)中的兩個(gè)端點(diǎn)

以下命令說(shuō)明了使用螺栓截面命令進(jìn)行螺栓螺紋建模的步驟：

MPC仿真方法中螺紋區(qū)域的接觸

在該方法中，MPC粘結(jié)接觸行為定義在光滑圓柱形螺栓表面和光滑底板之間。沒(méi)有定義螺紋行為。要定義MPC接觸，請(qǐng)使用以下接觸單元KEYOPT設(shè)置：

KEYOPT（2）=2-MPC算法

KEYOPT（4）=2-節(jié)點(diǎn)接觸檢測(cè)

KEYOPT（12）=5-始終粘結(jié)行為

螺栓頭和蓋板之間的接觸

在螺栓頭（接觸表面）和蓋板（目標(biāo)表面）之間限定摩擦接觸對(duì)。表面投影接觸檢測(cè)方法（KEYOPT（4）=3）用于該接觸對(duì)。

蓋板和底板之間的接觸

在蓋板（接觸表面）和基板（目標(biāo)表面）之間定義摩擦接觸對(duì)。表面投影接觸檢測(cè)方法（KEYOPT（4）=3）用于該接觸對(duì)。

材料屬性

采用雙線性各向同性硬化模型（TB，BISO）的結(jié)構(gòu)鋼對(duì)螺栓和板進(jìn)行建模。

邊界條件和加載

底板的底面在所有方向上都受到約束。在預(yù)加載螺栓后，將壓力載荷施加到蓋板的上表面。

• 在第一個(gè)加載步中，通過(guò)SLOAD命令將2544690 N的預(yù)緊力加載施加到預(yù)緊截面上。

• 在第二載荷步中，將50MPa的壓力載荷（小于等效預(yù)緊載荷）施加到蓋板的上表面。

分析和求解控制

在兩個(gè)加載步中進(jìn)行非線性靜態(tài)分析。分析中包括大變形效應(yīng)（NLGEOM）。

結(jié)果和討論

對(duì)所有三種方法的比較研究表明了螺栓截面法的有效性和簡(jiǎn)單性。

2-D模型的結(jié)果

軸向（UY）位移

在下圖中可以觀察到預(yù)緊效應(yīng)，其中兩個(gè)螺栓段相互拉動(dòng)。

Von Mises應(yīng)力

下面的von Mises應(yīng)力圖顯示，所有三種方法中的桿部應(yīng)力都相似。用戶(hù)自定義的等高線值用于比較。僅在局部區(qū)域（如螺紋區(qū)域或螺栓頭和蓋板接觸區(qū)域附近）觀察到變化。

螺栓截面法的螺紋區(qū)域應(yīng)力圖與真實(shí)螺紋模擬的應(yīng)力圖非常匹配，MPC法的應(yīng)力曲線也有所不同。應(yīng)力圖之間的比較表明，可以采用螺栓截面法精確模擬螺栓中的螺紋行為和桿部應(yīng)力。

沿一條路徑的線性化應(yīng)力

對(duì)于所有三種方法，y=280時(shí)螺栓桿沿路徑的線性應(yīng)力相似。真實(shí)螺紋模擬值為329.2 MPa，螺栓截面法為329.7 MPa，MPC法為330.10 MPa。

3-D模型的結(jié)果

接觸狀態(tài)

在螺栓截面法的接觸狀態(tài)圖中可以觀察到螺旋圖案。如果網(wǎng)格在螺紋區(qū)域中足夠精細(xì)，則可以獲得更精確的螺旋圖案。

軸向（UY）位移

在下圖中可以觀察到預(yù)緊效應(yīng)，其中兩個(gè)螺栓段相互拉動(dòng)。

Von Mises應(yīng)力

與二維情況類(lèi)似，三維模型的von Mises圖顯示，所有三種方法中的桿部應(yīng)力相似，僅在局部區(qū)域觀察到變化。

螺栓截面法的螺紋區(qū)域應(yīng)力圖與真實(shí)螺紋模擬的應(yīng)力圖非常匹配，MPC法的應(yīng)力曲線也有所不同。這驗(yàn)證了螺栓截面法達(dá)到接近真實(shí)螺紋模擬精度的結(jié)論。

截面處的Von Mises應(yīng)力

對(duì)于所有三種方法，y=280截面處螺栓桿的平均von Mises應(yīng)力相似。真實(shí)螺紋模擬的值為330.63 MPa，螺栓截面法為330.10 MPa，MPC法為330.44 MPa。

計(jì)算時(shí)間的比較

從下表可以明顯看出，螺栓截面法的計(jì)算成本低于真實(shí)螺紋模擬。MPC方法是計(jì)算成本最低的方法，但螺紋效果會(huì)丟失。

下圖顯示了能量釋放率的增加，直到發(fā)生失效：

Von Mises應(yīng)力和計(jì)算時(shí)間的比較表明，通過(guò)螺栓截面法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓螺紋行為和桿部應(yīng)力結(jié)果的精確模擬，并顯著節(jié)省了模擬時(shí)間。

建議

以下幾點(diǎn)對(duì)于螺栓螺紋建模很重要：

• 螺栓圓柱面應(yīng)為接觸面，螺栓截面應(yīng)分配給接觸單元。

• 軸數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)（SECDATA需要）應(yīng)在螺栓軸上，并在全局坐標(biāo)系中定義。

• 為了獲得更好的精度，螺紋區(qū)域中的網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于螺距距離。

• 我們建議您使用基于投影的接觸檢測(cè)方法（KEYOPT（4）=3）。

• 該技術(shù)僅適用于標(biāo)準(zhǔn)直螺紋。它不適用于錐形螺紋或支撐螺紋等非標(biāo)準(zhǔn)螺紋。

• 螺紋區(qū)域的最大應(yīng)力可能隨網(wǎng)格密度而變化。然而，整體應(yīng)力分布在模式上仍然相似。