螺紋連接；強度計算的案例
螺紋連接強度計算快速入門
一：螺紋連接的類別
01 螺栓連接；螺柱連接；螺釘連接。
二：螺紋連接強度計算
01 工況類別
02 抗剪
03 抗扭
04 抗拉
05 抗彎（抗翻轉）
06 單個鉸制孔螺栓強度校核（橫向荷載）
07 單個普通螺栓強度校核
螺紋保證載荷計算/螺紋軸向連接強度計算（根據ISO/TR 16224-2012和VDI 2230） ￥21.4
螺紋保證載荷計算/螺紋軸向連接強度計算（根據ISO/TR 16224-2012和VDI 2230）
螺紋連接強度計算
兩種特殊的方法使用
1 shrink——自動解決兩個接觸表面的過盈干涉
——只在第一步分析步中可以設置，而且不能用于自接觸
2 pressure——有效解決壓力穿透問題
——先設置壓力穿透接觸，在達到100Pa壓強時停止穿透量的增加
分析步的設置
1 消除初始過盈，建立接觸
要點——分析步給多，讓接觸逐步建立起來
——接觸的設置過程中，將“interference fit”進行調整
2 改變接觸表面的摩擦系數（由0到0.1）
要點——更改接觸屬性，建立摩擦
3 加入壓力穿透條件，限制變形量
要點——對接觸屬性進行進一步加強
——加入管道壓力pressure
——pressure的值與fluid pressure一致
4 對管道連接進行強制拉伸
要點——修改位移邊界條件
最后的接觸力變化結果如下
小結
1 螺紋連接被廣泛的應用在管道連接等工業上，它們必須要能夠承受像大范圍的力值變化等各種情況：螺紋嚙合力、扭矩、彎矩、軸向抽出力、內部壓力、過載條件、流體泄露等；
2 考慮問題的時候要全面，除了螺栓預緊力之外，初始的過盈、逐步接觸時的壓力穿透、內外的強制壓力，軸向的拉拔力等都要考慮在內；
展開 石油套管楔形螺紋連接結構的API 5C5 A系有限元分析計算
石油套管楔形螺紋連接結構的API 5C5 A系有限元分析計算
1、 算例分析背景
油套管是石油行業必備的戰略物資，是連通地下油藏與地面的通道，油套管在服役過程中承受高的內壓、外壓、拉伸、壓縮、高溫等復雜載荷，因此油套管的安全性對油田的安全高效開發至關重要；油套管是由螺紋連接一根根連接而成，因此為了保證油套管的安全性，API 發布了對應的評價測試標準API 5C5，因此在楔形扣的設計開發過程中對楔形螺紋連接利用Abaqus軟件進行了有限元仿真計算。
2、 模型建立
由于設計開發的螺紋為帶錐度的楔形螺紋，螺紋錐度1/16，因此為了降低計算量，將模型簡化為軸對稱模型進行分析計算。分別將螺紋連接公母端導入模型如下圖所示：
母端結構
公端結構
3、 材料屬性設計
材料選用API 5CT規范規定P110鋼級材料，分別設置彈性模量和泊松比，并且設置P110材質在不同溫度下的屈服強度。
4、 網格劃分
根據需要不同位置處設置不同密度網格，對螺紋部分重點進行網格加密。
網格單元選用默認軸對稱網格，有限推薦選用四邊形網格。
5、 分析步
分析步共分為兩步，第一步為螺紋連接上卸扣計算，第二步為API 5C5載荷步分析計算，第二部共分為18步載荷，需要根據載荷時間調整輸出時間節點和內容。
6、 接觸設置
根據計算需要選擇對應的接觸位置，設置面對面接觸，接觸方式節點對面設置，
7、 邊界與載荷條件
根據計算需要在不同載荷步施加內壓、外壓、拉伸、壓縮等載荷，具體載荷大小和載荷施加時間參考API 5C5評價試驗標準。
試樣得底部施加Y方向的約束，試樣的頂部施加拉伸、壓縮載荷。
8、 計算
根據計算需要，采用4核心進行并行計算，計算結果如下圖所示：
展開 
鋼結構連接、鋼結構強度穩定性、鋼筋支架、格構柱計算
◆鋼結構連接計算
一、連接件類別
不焊透的對接焊縫
二、計算公式
1．在通過焊縫形心的拉力，壓力或剪力作用下的焊縫強度按下式計算：
2．在其它力或各種綜合力作用下，σf，τf共同作用處。
式中 N──-構件軸心拉力或軸心壓力，取 N＝100N；
lw──對接焊縫或角焊縫的計算長度，取lw=50mm；
γ─-作用力與焊縫方向的角度 γ=45度；
σf──按焊縫有效截面(helw)計算，垂直于焊縫長度方向的應力；
hf──較小焊腳尺寸，取 hf=30mm；
βt──正面角焊縫的強度設計值增大系數；取1；
τf──按焊縫有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應力；
Ffw──角焊縫的強度設計值。
α──斜角角焊縫兩焊腳邊的夾角或V形坡口角度；取 α=100度。
s ──坡口根部至焊縫表面的最短距離，取 s=12mm；
he──角焊縫的有效厚度，由于坡口類型為V形坡口，所以取 he=s=12.000mm.
三、計算結果
1. 正應力：
σf=N×sin(γ)/(lw×he)=100×sin(45)/(50×12.000)=0.118N/mm2；
2. 剪應力：
τf=N×cos(γ)/(lw×he)=100×cos(45)/(50×12.000)=0.118N/mm2；
3. 綜合應力：
[(σf/βt)2+τf2]1/2=0.167N/mm2；
結論:計算得出的綜合應力0.167N/mm2≤對接焊縫的強度設計值ftw=10.000N/mm2，滿足要求！
展開 案例56-螺紋連接分析
• 通過多幀重啟繼續分析三維模型
介紹
螺紋管接頭在石油、天然氣和海上管道應用中很常見。它們在管道頻繁耦合和分離的環境中連接管道。連接器必須能夠承受苛刻的操作條件，因為它們通常承受內部壓力、軸向拔出、彎曲和扭轉載荷。
即使在可能的情況下，使用三維模型開始螺紋連接模擬也是困難且耗時的。軸對稱載荷很重要，很難通過接觸來解決，而螺紋連接的詳細檢查通常需要精細的網格。
由于加載的前幾個階段（如內壓和軸向拔出）本質上是軸對稱的，并且導致非軸對稱變形（如彎曲）的載荷發生在稍后，因此可以使用Mechanical APDL的2-D到3-D分析功能在分析的早期執行更簡單的2-D分析，隨后進行一般的3-D分析。
2-D到3-D分析包括將2-D變形網格擠出到新的3-D網格。該程序根據需要更新數據庫，根據需要生成接觸單元，并將邊界條件、載荷和節點溫度從二維網格傳遞到擠出三維網格。該程序將所有求解的變量（節點和單元解）映射到新的三維網格，并自動重新平衡三維模型的解。然后，可以通過多幀重啟動，根據需要應用非軸對稱加載，繼續對三維模型進行分析。
問題描述
以下是本示例問題中使用的螺紋連接模型的幾何結構：
分析分為三個步驟：
• 第1步：求解內部壓力和端蓋載荷下的二維軸對稱螺紋連接模型。
• 第2步：將二維軸對稱模型轉換為完整的三維模型。
• 第3步：繼續分析彎曲載荷下的三維螺紋連接模型。
第一步中的幾何結構和載荷是軸對稱的，因此分析從二維軸對稱模型開始，以求解內部壓力和拉伸載荷。使用2-D到3-D分析，將2-D變形網格擠出成新的3-D網格，并將解結果映射到3-D模型。然后繼續對三維模型進行分析，在三維模型上施加非軸對稱（彎曲）載荷。
展開 螺紋量規的基本知識及各種螺紋的計算公式收集！
NPSI-美國標準干密封中間螺紋：這些內螺紋用于硬材質或脆性材質與PTF-SAE短外螺紋的裝配，但也可以用于NPTF外螺紋全長度裝配。 -
氣瓶專用錐度量規 -
氣瓶專用錐度螺紋用于各類鋼瓶（如氧氣瓶、煤氣罐、乙炔氣瓶等）瓶體與閥門的連接。螺紋連接的鎖緊與密封的可靠程度是生產和使用過程中，保證安全的主要因素。 -
可供PZ19.2PZ19.8PZ27.8PZ39錐度螺紋環規、塞規、絲錐 -
米制梯形螺紋Tr -
梯形螺紋主要用于傳動（進給和升降）和位置調整裝置中，在機械行業有著廣泛的使用。一般用途米制梯形螺紋的公差采用了米制普通螺紋的公差制，對螺紋的導程（螺距）和亞測角等單項參數沒有規定單獨的公差值。所以這種梯形螺紋不適用于對傳動精度有較高要求的精密傳動螺紋。精密傳動梯形螺紋需在一般梯形螺紋標準的基礎上補充規定螺紋單項參數公差。 -
梯形螺紋也可以用于緊固連接場合。可供ACME螺紋及米制鋸齒形螺紋量規 -
緊固螺紋（UN、UNR、UNJ、M和MJ）的美制檢測體系 -
由于螺紋檢測領域存在許多認識誤區、一定的風險和經濟性的要求，給螺紋產品驗收帶來許多麻煩，給機械產品質量埋下許多隱患。為從根本上扭轉這種被動局面，美國在螺紋檢測方面進行了大量技術研究，提出了緊固螺紋檢測體系標準（ASME標準）和60o螺紋量規測量的不確定度數據（ASME技術報告）。美國的螺紋加工和檢測技術居世界領先，今后世界其他國家會借鑒美國的經驗，制定自己國家的螺紋檢測體系標準，以提高本國螺紋的產品質量。
展開 螺紋連接:仿真分析簡化
摩擦接觸第一步，通過預緊單元施加螺栓預緊力第二步，鎖定預緊力并施加集中力/力矩
通常，上述過程被認為是使用實體單元模擬螺栓進行計算的標準流程
按照這一流程，我們對結構進行有限元分析，并提取剖面應力分布
根據云圖標識結果，螺栓最大局部米塞斯應力為611MPa，位于螺栓頭部下端，小于材料的屈服強度640MPa，因此螺栓在給定工況下安全，安全系數為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，按照強度準則結構應力≤許用應力，每一步都非常合理，但是大家如果仔細閱讀文章《CAE工程分析|螺紋連接:工程校核考慮》會發現，僅僅這樣就給出校核結果過于草率
在文章中，根據螺栓可能的失效模式，給出了以下幾部分需要校核的內容
①螺栓預緊時光桿應力<材料屈服強度②螺栓加載時光桿應力<材料屈服強度③被連接件夾緊壓力>密封壓力④螺栓應力幅<螺栓拉伸疲勞極限⑤螺栓最大拉應力<材料抗拉極限⑥被連接件摩擦力>橫向剪切力⑦螺栓剪切應力<材料剪切強度⑧嚙合長度、表面壓潰、螺栓松動等
根據上述校核需求，我們一起來看下，有多少結果是直接可以通過實體有限元計算得到(為什么需要校核這些內容可以參考前文)
螺栓預緊時光桿應力<材料屈服強度
有限元分析中預緊的施加是通過預緊力單元直接加載在軸中，而實際操作是通過螺紋的擰緊實現，在這個過程中，會產生一定的扭轉切應力，也就是說，有限元中計算的螺栓應力并不包含扭轉切應力作用
螺栓加載時光桿應力<材料屈服強度
由于安裝所帶來的扭轉切應力影響隨著時間會逐漸降低到次要影響，因此加載時主要考慮螺栓預緊力與外載作用
展開 螺紋連接松動機理有限元仿真分析...
如圖 5 是螺 紋連接結構在靜力學分析下的收斂曲線。
2.4 結果分析
在該模型中，結構特征對計算收斂性的影響較大， 螺栓與螺母螺紋接觸面之間的間隙和螺母與被連接件 之間的間隙會導致計算不收斂，將接觸改為無間隙會 得到合理結果。
通過建立數學模型得到理論計算值將其和仿真得 到的結果做對比。在擰緊螺栓的過程中擰緊力矩 T 需 要克服兩種力矩，一種是螺栓與螺母螺紋接觸面之間 的摩擦阻力矩 T1，一種是螺母和支承面之間的摩擦力 產生的力矩 T2 [13]。
式中：Fp 表示螺栓連接的預緊力；d2 表示螺母支撐面 內徑；φV 表示螺栓螺紋牙與螺母螺紋牙之間的當量摩 擦角；ψ 表示螺紋升角；fc 表示被連接件支承面與螺 母和支承面接觸的端面之間的摩擦系數；D0 和 d0 分別 表示支承面接觸面上的最大和最小直徑；Kp 表示擰緊 力矩系數，一般取值在 0.1~0.3，Kp 計算公式參照螺紋 緊固件緊固通則 GB/T16823.2—1997。d 表示螺栓公稱 直徑。
有限元模型中的螺栓為 M10 粗牙螺紋，螺距為 1.5 mm，螺紋的公稱直徑為 10 mm，中經為 9.026 mm， 螺紋的牙型角為 60°，牙側角為 30°。被連接件上孔的 直徑為 11 mm，則 d0 為 11 mm，根據螺母的端面尺寸 取 D0 為 16 mm。
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：從現象出發1
為了解決這個疑惑，這里用一個簡單的模型進行說明：
如圖，一帶有螺紋缺口的平面應力模型（材料屈服強度設置300MPa，切線模量設置1/1000E），左端固定，右側施加一定的強制性載荷，提取圖中虛線處結構內部的米塞斯應力變化：
可以觀察到，螺紋根部由于應力集中，很快便進入了屈服，此時截面其余部位應力還遠遠未屈服，但是繼續加載時，根部的應力基本維持在屈服水平上，其余部位應力開始逐漸提升到屈服。
這說明，雖然螺紋處應力集中水平較高，但是進入屈服之后由于局部剛度下降，更多的載荷分配到其余部位，最終使得結構應力水平趨于平緩，這也是我們常說的發生了塑性流動。
03、應力面積
為了計算螺栓連接系統的內力系數，需要分別評估軸向載荷下被連接件剛度以及螺栓剛度。而評估螺栓剛度的時候，不含螺紋部分的截面剛度可以按照E*A進行估算，其中的A稱之為光桿部分的應力面積。
應力面積這個說法可能有些伙伴會比較陌生，簡單來說就是主要承擔結構應力部分的面積。對于拉桿結構，有了應力面積之后就能很容易確定拉桿的截面剛度，從而得到指定拉伸載荷下的變形。
顯然，對于含螺紋部分，并不是整個截面都會參與應力的分擔：
如上圖應力云圖所示，受到軸向載荷時，螺紋僅有一部分對系統貢獻了剛度，另外一部分其實并未參與傳力，也就是說，螺紋部分的應力面積并不是直接以公稱直徑D計算，而是取螺紋內徑~螺紋外徑中間某值。
04、壓力錐
不知道大家有沒有想過：為什么螺栓相對于其它結構的校核這么特殊？我想其中非常重要的一個原因就是預緊力的施加。
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化2
，得到Contact，Bond，Rbe2，Rbe3方式得到的等效變形分別為：2.64um，2.22um，2.00um，2.78um
也就是Bond，Rbe2，Rbe3方式誤差分別為-15.9%，-24.2%，+5.3%，因此對于該模型，單從變形結果精度排序是：Rbe3＞Bond＞Rbe2
范圍區別
綁定接觸是通過螺栓頭和被連接件的實際接觸面建立，連接范圍為螺栓頭部下端面，而rbe2和rbe3是通過節點耦合方式建立，因此連接范圍是人為可調的，如下所示：
由于不同連接范圍對應不同局部變形程度，只要找到最合適的連接范圍，就能從該參數上去修正不同連接方式產生的局部變形程度
為了使得結果更加具有規律性，這里以螺栓孔徑D作為基本值，分別計算rbe2和rbe3連接范圍為1.1D，1.2D，1.3D，1.4D，1.5D，1.6D下接觸面的變形結果：
Rbe2
Rbe3
將不同連接范圍結果的接觸面RMS值與標準RMS值進行繪制：
根據曲線結果，該尺寸模型大致可以估測：rbe2連接方式，耦合范圍約為1.2D~1.25D時局部剛度比較準確；rbe3連接方式，耦合范圍約為1.6D~1.7D時局部剛度比較準確
當然上述初步結論僅僅是基于文中所述模型，還需要進行多輪模型對比才能得到更具有普遍性的規律（并且還未考慮墊圈作用），這里暫不深究
來源于： 仿真求知之路 作者：聰聰
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CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化1
01 前言
前文通過一些實際現象應該能夠讓大家認識到：螺紋連接的力學行為比表面上看起來更加復雜，因此要使用數值仿真工具對其進行合理地分析并不容易
但不幸的是，這種連接方式恰恰在實際中使用非常廣泛，并且很多時候出現在主傳力路徑上，因此進行裝配體分析，不可避免需要與大量的螺紋連接打交道
雖然筆者目前對于螺紋連接的處理仍然存在一些困惑，但仍希望借文章形式就目前的部分想法和大家進行交流和探討
內容僅代表個人觀點，希望大家有選擇性地參考
02 簡化思路
為什么簡化？
有些小伙伴可能會困惑：“實體螺栓+接觸（不考慮螺紋）”多么完美的處理方式，還有必要簡化么？
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化3
但是，最近梳理螺紋連接相關知識時，卻發現好像并不是如此，或者說，使用實體單元對螺栓進行分析時，確實會遇到頗多問題
01、引例說明
如圖所示法蘭結構，螺栓M10，等級8.8，現在需要模擬其在受到軸向載荷F和扭轉載荷M作用下螺栓及法蘭的應力分布以用于強度校核，螺栓預緊力P
不考慮螺紋細節，螺母與螺栓之間在對應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摩擦接觸
第一步，通過預緊單元施加螺栓預緊力
第二步，鎖定預緊力并施加集中力/力矩
通常，上述過程被認為是使用實體單元模擬螺栓進行計算的標準流程
按照這一流程，我們對結構進行有限元分析，并提取剖面應力分布
根據云圖標識結果，螺栓最大局部米塞斯應力為611MPa，位于螺栓頭部下端，小于材料的屈服強度640MPa，因此螺栓在給定工況下安全，安全系數為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，按照強度準則結構應力≤許用應力，每一步都非常合理，但僅僅這樣就給出校核結果過于草率
在文章中，根據螺栓可能的失效模式，給出了以下幾部分需要校核的內容
①螺栓預緊時光桿應力＜材料屈服強度
②螺栓加載時光桿應力＜材料屈服強度
③被連接件夾緊壓力＞密封壓力
展開 塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（上）
塑膠件的連接結構，有兩種應用較廣泛，一種是卡扣連接（之前文章已有介紹），另一種是螺紋連接。其中螺紋連接我認為是應用最廣泛、最常見的連接結構。基于成本考慮，盡管大家都在盡量減少螺紋連接的使用，但是，對于絕大部分產品結構設計的需要，螺紋連接結構還是很難完全被取代，因為，其相對于卡扣連接有以下優點：
連接強度比卡扣大得多，即使受到額外負載也不容易松脫，可靠性高；
可拆卸次數多，特別是使用機牙螺絲的情況下，連接強度并不會受影響很大；
螺絲柱在模具上成型方便，模具結構簡單，且容易調整；
操作簡單，易學，誰不會打個螺絲呢。
當然，相對于卡扣，其缺點如下：
成本相對高些，螺絲、螺母、電批、螺絲刀等緊固件與工具的成本；
對于外觀零件，會在外殼上存在放置螺絲以及操作的孔洞，破壞外觀的完整性；
裝配時間長，預埋螺母、放置螺絲、使用電批或螺絲工具的時間成本，間接增加裝配成本；
螺紋連接的結構類型少，設計自由度比較受限，常常在主出模方向設計居多。
結合卡扣和螺紋連接的優缺點，在實際產品結構設計上，常常兼容這兩種連接方式，使產品能夠實現性能與成本的平衡。
塑膠件的螺紋連接結構一般有以下兩種：
一種是采用機械牙螺絲（簡稱機牙螺絲）的結構；
一種是采用自攻牙螺絲（簡稱自攻螺絲）的結構；
這兩種結構比較常見的結構形式如下圖，共同點是兩個塑膠零件上分別有用于與螺絲配合的螺絲柱（BOSS柱）和用于支承螺絲頭的套司；區別在于采用機牙螺絲的螺絲柱內孔需預埋螺母。
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：從現象出發2
▍01 前言
上一篇文章就螺紋處受力特點以及螺栓預緊效果等內容進行了簡單了解，但是螺栓在使用時會受到各種工作載荷作用，并且由于預緊力的存在以及具體應用的特點，其校核內容與一般零件有一定區別。
有些伙伴可能會想，螺栓的校核體系在很多行業規范中已經相當完善，直接按照手冊規范上的流程計算不就可以了么？
其實按照個人了解來看，螺栓校核體系目前還是存在頗多難以處理的問題。
首先，螺栓校核涉及到的諸多變量在工作中呈現明顯非線性變化，如連接剛度，接觸界面，接觸壓力等，然而這種變化在手冊中較難考慮
其次，復雜工況下螺栓的變形模式也不能單純的按照拉剪彎扭來處理，就算按照復合載荷來計算，也會發現一些計算參數難以處理，只能采用非常保守的方式進行考慮
另外，螺栓松動算是行業痛點，雖然現在從校核和使用上已有很多方法“避免”該問題的出現，但是貌似該問題在很多行業依舊存在
最后，還未考慮實際安裝使用和理論計算中參數的偏差，比如預緊力不足，裝配傾斜等不規范問題，而這對于螺栓的校核至關重要，也不能生搬硬套
當然，個人沒有能力去解決這些問題，文章目的僅僅是現階段對螺栓校核的認識，希望大家有選擇性地借鑒。
本文主要對螺栓在典型載荷下的一些關鍵現象進行簡單的敘述，為了更加形象地說明問題，文中主要現象是通過構造有限元分析模型觀察得到。
▍02 軸向載荷作用
軸向載荷是螺栓最為常見的作用工況之一，因此文章從軸向載荷開始就螺栓連接體系的相關現象進行說明：
如上圖所示，構造了以承受軸向力為主的螺栓連接模型，為了更加清晰的看到內力的變化，被連接件使用鋁合金類屬性，螺栓使用合金鋼類屬性，并且為了避免被連接件剛度對內力分配的影響，用于施加約束和載荷的耦合單元盡量靠近螺栓和被連接件的接觸面。
首先，施加螺栓預緊力。
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