問題描述

螺栓聯(lián)接的一對帶頸對焊法蘭承受內(nèi)壓1MPa，遠(yuǎn)端載荷500N以及軸向拉2389N，試對該法蘭聯(lián)接進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。（本例目的在于不同建模方式的螺栓聯(lián)接模擬對比，暫不考慮法蘭的強度校核及墊片的密封性能。）

分別采用五種不同的螺栓聯(lián)接方式模擬：

（1）無螺栓、綁定接觸；

（2）無螺栓、梁連接；

（3）線體梁螺栓；

（4）實體螺栓（無螺紋）；

（5）實體螺栓（有螺紋）。

由于模型及載荷對稱，因此分析模型取一半，螺栓聯(lián)接分別采用3D實體模型及采用體-體梁聯(lián)接模型，法蘭一段接管延伸足夠長度（大于2.5√RT），假設(shè)支架固定在接管端，螺栓預(yù)緊力為25kN。

方法1：無螺栓、綁定接觸

無螺栓、綁定接觸是最簡單的方法，在連接組件的接觸面之間定義綁定接觸，這個簡化方式會使結(jié)構(gòu)過于剛性，且無法得到每個螺栓的載荷。

 

從圖2、圖3可以看出法蘭端部側(cè)彎變形最大，為0.0816mm；接管端部應(yīng)力最大為22.8MPa。同時可以使用Contact Tool查看法蘭接觸壓力，如圖4所示。接觸壓力顯示彎曲一側(cè)壓緊為正壓力1.13MPa，另一側(cè)負(fù)壓力為-3.1MPa，表示此處接觸面會分離。

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方法:2：無螺栓、梁連接

本模型中，梁連接是唯一將法蘭連接在一起的，螺栓承受所有載荷，結(jié)果通常更保守，后續(xù)手工計算確定螺栓是否失效。在接觸設(shè)置中添加梁連接，輸入等效圓柱梁半徑，參考位置為兩連接法蘭外端面，其影響范圍由彈球區(qū)域控制。

可以得到法蘭端部側(cè)彎變形增加到0.092mm，接管端部應(yīng)力強度最大值為22.813MPa。同時可以采用Beam Probe得到梁的軸向力、剪切力、扭矩和彎矩。

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方法3：線體梁螺栓

在DM中創(chuàng)建線體梁，將法蘭連接在一起，考慮螺栓預(yù)緊力，因此求解步驟分為螺栓預(yù)緊及預(yù)緊后的操作工況兩步。如果考慮墊片行為，則可進一步做法蘭密封性能的評估。在接觸設(shè)置中，添加固定關(guān)節(jié)類型Fixed，參考點為線體端點，參考面為配對法蘭端面，其影響范圍由彈球區(qū)域控制。

可以得到操作工況下，最大位移發(fā)生在法蘭面與線體梁螺栓連接處，為0.09mm；而最大應(yīng)力強度位于螺栓孔處，為141.29MPa。

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方法4： 實體螺栓（無螺紋）

如果考慮更多的螺栓聯(lián)接的詳細(xì)特征，如法蘭、螺栓、墊片、螺母之間的接觸行為，則可以用實體單元建模模擬。在Workbench中，螺栓預(yù)緊載荷的施加需要設(shè)置兩個加載步及子步，同時需要在螺栓上建立局部坐標(biāo)系，Z方向必須為預(yù)緊力加載方向，第一步加載輸入預(yù)緊力，第二部鎖緊；其他操作工況下的載荷在第二部施加。

可以得到操作工況下，螺栓處最大位移為0.1mm，螺栓與螺母在法蘭端面的連接處最大應(yīng)力為215.34MPa。

?方法5：實體螺栓（有螺紋）

在ANSSY 15.0版本以后，有了螺栓螺紋接觸的幾何修正功能，該特征將螺栓集中力處理為通過螺紋連接面的分布力，更接近與螺栓應(yīng)力分布的真實狀態(tài)（詳見:ANSYS Help）。不過使用時要注意以下幾點：

（1）螺栓為接觸面，螺母孔為目標(biāo)面，不能使用綁定接觸，采用非對稱接觸行為；

（2）探測方式不能選擇節(jié)點垂直于目標(biāo)面接觸nodal-normal to target或高斯點接觸on gauss point（程序默認(rèn)）；

（3）螺紋區(qū)域的網(wǎng)格密度高，網(wǎng)格劃分的單元大小應(yīng)為1/4螺距。在接觸設(shè)置中，添加螺栓螺母之間的螺紋接觸，非對稱行為，增強拉格朗日算法，探測方式為節(jié)點垂直于接觸面。

具體螺紋設(shè)置如下：采用局部坐標(biāo)系指定旋轉(zhuǎn)軸的起點及終點，設(shè)定螺紋中徑、螺距、螺紋升角，單線螺紋，右旋。

可以得到操作工況下，螺栓處最大位移為0.12mm，螺栓與螺母在螺紋接觸處的最大應(yīng)力為464.95MPa。

結(jié)果討論

采用探測可以得到線體梁螺栓中間段的應(yīng)力強度為187MPa，實體螺栓（無螺紋）為 172MPa，實體螺栓（有螺紋）為165MPa。每一種螺栓聯(lián)接方式得到的總體結(jié)果差別均不大，可根據(jù)實際情況采用合適的建模方式模擬。