螺栓連接是機械零部件間最常用的連接方式之一，而且在一些領域，裝配式越來越熱。螺栓連接在有限元結構分析是該如何處理呢？

其實關于這個問題，大家能在很多渠道找到各種不同軟件的不少處理方式：

采用剛性單元連接對應的兩螺栓孔；  

     

采用梁單元連接對應的兩螺栓孔； 

     

兩零件接觸面間定義摩擦接觸，對簡單螺栓模型上先施加預緊力，鎖定后再施加外載； 

有的軟件還具備得用簡單螺栓模型，結合螺紋參數，得到更好獲得的螺牙處的應力分布； 

也有建立詳細螺牙細節模型，考慮墊片（單元及材料屬性）納入整體分析計算的。

在汽車碰撞領域，還有專門對鈑金件上的螺栓孔關于網格劃分處理的規范要求。

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那么關于這些處理方式，到底哪個是對的呢？

其實，在我看來，這個問題沒有答案。或者說，處理方式沒有對錯之分，只有選用的是不是合適的差別。   

做任何一項分析，首先也是最重要的事項，應該是：明確分析目的。這個是要跟團隊中的設計工程師或是需求方仔細溝通明確的，不然可能會導致后續工作的反復，或是影響分析的價值。

明確分析需求，制定相應的分析方案。而在面對結構的細節處理時，就需要根據自己的分析目的來選擇性處理。宗旨相當是，細節處理的方式不影響到你想到的目標結果，并盡可能以最少的計算資源來處理，以提高工作效率。

這可能說的有些寬泛了，稍微具體的來說。在我的項目經驗中，大型設備內部的螺栓連接是比較多的。通常我會根據分析目標，結合分析方案，將這些螺栓、螺釘連接分成幾個類型：

1.螺栓連接處不是分析的重點，只是在分析模型中需要實現載荷在不同零件的傳遞。

對于這種情況，通常我會直接將螺栓組去除，只是在連接面的相關區域建立 綁定接觸。

2.外載下，一組螺栓連接中，螺栓受載的差異性，以便更好的布置螺栓孔。

對于這種情況，通常我會采用beam單元來連接螺栓孔，以獲取螺栓承受的載荷。

3.需考慮連接可靠性。

這個通常沒有很好的方法，只能采用施加預緊力，建立非線性接觸來計算。注意不要在幾組螺栓上同時采用非線性，給自己增加難度，可以在分析方案上多花點功夫。

對螺栓、墊圈、螺母的模型簡化處理需注意對區域剛度的影響。因為需要獲取連接區域附近關鍵位置的變形量，評判該變形量是否超過允許值，以確定連接可靠性。同時，還需要對螺栓的強度進行校核，通常螺栓需關注螺帽根部和螺牙處應力。 

    

   

關于螺栓強度的評判準則也有不少，機械手冊上也有相應的各種保證載荷和相應的組合方式。

也有一些軟件把相應的評判準則內置在軟件中，建議還是根據自己的工況情況，選擇合適的準則。   

最后想聊的是關于強度校核，在我看來，對于沒有強制標準的行業，別人的準則可以參考借鑒，還是要根據自己產品的實際情況（工況、工藝、材料、實際應用反饋等），建立起針對性的強度標準。有時為了對特定產品的核心零件的強度校核，可以將老產品或是類似結構系列進行對比分析，結合實際反饋情況，最終確定新產品核心零件的允用應力值。在質量安全與經濟性間，確定合適的平衡點。

還有就是，不要在分析上給自己較勁。一個分析結果出來，薄弱區在焊縫區域，而且在工況上還存在著交變應力，存在著疲勞風險，而對于焊接質量，有時沒有很好的質量控制檢測手段，這個時候除非必要，不要給自己找不確定性。與其在那糾結許用應力值該選多少，不如在結構上考慮將薄弱區轉移。

作為分析工程師，采用有限元分析只是一種手段。體現工程師價值的，是能夠權威判定結構是否OK，同時能夠找出原因，給出結構改進的方向。 

圍繞零件間的連接關系，下期聊聊軸承在結構分析中的處理方式，歡迎留言交流。

源自CAE技術交流平臺