工程背景

近幾年，在機械產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，SimSolid? 作為一款無網(wǎng)格分析軟件，正發(fā)揮著日益重要的作用，尤其在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程復雜，需投入大量時間進行有限元模型構(gòu)建與分析，而 SimSolid 的出現(xiàn)極大地簡化了這一過程。

在上一期文章《SimSolid 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用及體會》和大家分享了 SimSolid 在焊接鋼節(jié)點設(shè)計分析中的應(yīng)用及體會，本文重點分享 SimSolid 在螺栓連接鋼節(jié)點設(shè)計中的應(yīng)用價值，因為螺栓連接通過可拆卸的機械咬合實現(xiàn)構(gòu)件間的力傳遞，是與焊接鋼結(jié)構(gòu)同等重要的關(guān)鍵技術(shù)。

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軟件簡介

Aitair SimSolid 是一款專門為快速發(fā)展的設(shè)計流程開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件。它消除了幾何體簡化和網(wǎng)格化過程，可高效實現(xiàn)大型復雜裝配體的力學分析，包括靜力學分析、模態(tài)分析、熱分析、結(jié)構(gòu)熱耦合、非線性靜力學分析、疲勞分析、線性動力學等多種類型。對于螺栓連接，SimSolid 利用先進接觸算法，準確模擬接觸區(qū)域的壓力分布、摩擦行為及可能的相對滑移，計算螺栓在軸向、剪切、彎曲等載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，為工程師提供全面的評價指標。

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主要內(nèi)容

3.1 鋼節(jié)點連接

鋼節(jié)點設(shè)計的性能指標中，節(jié)點強度直接關(guān)乎整個鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。如下圖1所示的螺栓連接和焊接，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常見兩種節(jié)點連接方式，下面針對螺栓連接，開展強度分析方法的介紹，同時與依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的計算結(jié)果對比，對仿真結(jié)果進行合理性說明及討論。

圖1.紅色圈示-螺栓連接；綠色圈示-焊接

3.2 螺栓連接節(jié)點

螺栓連接設(shè)計包括3個關(guān)鍵參數(shù)，即螺栓的規(guī)格、個數(shù)及分布。SimSolid 運用先進的數(shù)值算法，快速評估螺栓強度是否滿足設(shè)計要求，幫助工程師發(fā)現(xiàn)鋼節(jié)點設(shè)計中的潛在失效位置。下面以典型的鋼牛腿螺接節(jié)點，說明 SimSolid 在螺栓強度分析中的應(yīng)用，計算參數(shù)及三維結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 設(shè)計參數(shù)及三維圖

? 3.2.1 模型設(shè)置

①螺栓連接：將幾何模型導入軟件后，自動識別出螺栓，包括螺母、墊片，如圖3.1所示。同時自動建立螺栓與零部件的接觸關(guān)系，如圖3所示，其中圖3.1表示螺栓組零件，圖3.2表示了螺栓與鋼板的接觸關(guān)系，圖3.3詳細展示了單個螺栓的接觸狀態(tài)，表1描述了具體的接觸設(shè)置。

圖3.1螺栓組零件

圖3.2 螺栓與鋼板的連接

圖3.3 單螺栓詳細裝配圖

接觸對象	法蘭-鋼板	墊片-鋼板	墊片-螺母	螺栓-螺母	鋼板-鋼板
接觸類型	接觸	接觸	綁定	綁定	接觸

表1 螺栓接觸設(shè)置

②邊界條件設(shè)置：在約束模塊，選擇 immovable support 約束類型，定義左側(cè)鋼柱下端面為固定約束。在載荷模塊，選擇 force/displacement 工具，定義集中作用載荷，垂直向下施加140kN，如圖4所示。這里需要注意，在平面指定位置施加集中載荷的技巧，首先在裝配模塊定義加載區(qū)域spot。

圖4 載荷定義

? 3.2.2 求解設(shè)置

本案例考慮金屬材料非線性，并且結(jié)構(gòu)具有一定的薄板特性，因此求解設(shè)置如下圖5所示：

圖5 求解及結(jié)構(gòu)設(shè)置

? 3.3.3 結(jié)果討論

①理論結(jié)果：鋼管材料Q235，屈服強度235MPa，設(shè)計強度215MPa，螺栓規(guī)格M20-5.6級。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計》計算單個螺栓的承載能力，計算過程如下：

上式中：d為螺栓直徑，f為螺栓設(shè)計強度190MPa，Ae為螺栓有效截面積。各參數(shù)的取值及計算可查閱文末參考文獻《鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計》，這里不在贅述，經(jīng)計算螺栓最大拉力37.5KN，最大剪力17.5KN，選型滿足強度要求。

②SimSolid 分析結(jié)果：強度結(jié)果如下圖6所示，通過應(yīng)力云圖可知，鋼板的最大應(yīng)力為528MPa，超出材料的設(shè)計強度，存在失效風險。由于參考文獻中，假設(shè)鋼板滿足強度設(shè)計，未開展強度校核，僅校核了螺栓強度。因此，通過軟件分析，可以全面考察結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)潛在風險。

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

對于螺栓的強度分析，SimSolid 提供了專門的后處理工具，可以準確的評估螺栓的失效風險。如下圖9所示，可以單獨查看螺栓的應(yīng)力結(jié)果。由圖可知應(yīng)力最大的螺栓位于立柱最上端，這和理論分析的最大受力螺栓的位置一致，由圖可知最大應(yīng)力數(shù)值為464MPa，小于螺栓的屈服強度500MPa。這里需要說明，由于理論公式對接觸應(yīng)力及截面剪應(yīng)力做了平均簡化處理，屬于半經(jīng)驗公式，因此螺栓的設(shè)計強度定義了較保守值190MPa。而仿真分析模型建立了螺栓與周邊件的真實接觸關(guān)系，更能反應(yīng)螺栓的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時結(jié)合前期的項目經(jīng)驗，仿真中的螺栓可看成一般零件處理，用材質(zhì)的屈服強度作為強度失效的判斷指標。因此，本案例中，經(jīng)仿真分析的螺栓應(yīng)力464MPa，小于螺栓材料的屈服強度500MPa，滿足一般強度要求。

圖9 螺栓應(yīng)力云圖

此外，軟件提供了詳細的螺栓受力列表，可以充分了解每個螺栓的具體受力情況，為設(shè)計提供參考，如下表2所示。此表中列舉了每個螺栓的受力，每列數(shù)據(jù)可按照大小排序，快速檢索到受力最大的螺栓。本案例中，螺栓的軸向力最大為31.4KN，螺栓的剪切力最大為34.3KN，均小于3.3.3章節(jié)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊中計算的理論結(jié)果。

表2 螺栓受力結(jié)果統(tǒng)計

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總結(jié)及體會

總結(jié)：本文通過典型的鋼牛腿螺接節(jié)點分析，展現(xiàn)了 SimSolid 在螺栓設(shè)計中的強大功能和工程價值，建模用時5分鐘，求解用時10分鐘，螺栓內(nèi)力列表結(jié)果顯示最大受拉螺栓的軸力是31.4 N，最大受剪螺栓的剪力是34.3N，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，螺栓的設(shè)計安全。SimSolid 不僅可以準確模擬結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力分布情況，并給出詳細的應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)，而且可詳細分析每個螺栓的受力情況。工程師依據(jù)這些分析結(jié)果，快速找到產(chǎn)品的改進方向，通過調(diào)整螺栓規(guī)格、個數(shù)及分布等方式提高節(jié)點強度。

體會：SimSolid 在機械結(jié)構(gòu)項目中的應(yīng)用越來越廣泛，如何建立傳統(tǒng)設(shè)計標準與高效計算方法的對應(yīng)關(guān)系，是當前面臨的重要問題。一方面需要設(shè)計工程師對 SimSolid 的成功案例進行總結(jié)歸納和推廣，另一方面也需要通過應(yīng)用 SimSolid 軟件針對各類關(guān)鍵節(jié)點連接形式，如焊接、螺接、鉚接等，開展全面的研究對比，建立相應(yīng)的評價指標和標準，并在項目中不斷修正和完善，最大化軟件的工程價值。

參考文獻

1. 夏志斌 姚諫 編著 鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計（第二版）中國建筑工業(yè)共出版社
2. SimSolid 幫助文檔

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