Bolt Pretension的案例
ANSYS的lsdyan中螺栓預緊力Bolt Pretension加載
螺栓預緊力Bolt Pretension
此邊界條件可對梁連接施加預緊載荷，常用于模擬預緊狀態下的螺栓。
分析類型
螺栓預緊力功能是 LS-DYNA 特有的，與 Mechanical 應用程序中的螺栓預緊力功能不兼容。
螺栓預緊力既可以在動力松弛階段使用，也能在計算的顯式階段使用。
螺栓預緊力可施加于梁連接或實體。
邊界條件的應用
對梁連接施加螺栓預緊力的操作步驟：
1. 右鍵點擊 Environment 樹對象或活動的 Dynamic Relaxation 對象，選擇 “Insert”>“Bolt Pretension”。
2. 將 “Scoping Method” 設置為 “Beam Connection”，然后選擇相應的梁連接。
3. 指定載荷的大小。
4. 若螺栓預緊力在顯式階段使用，需額外設置 “Initialization End Time”，以明確加載的終止時間。
對實體施加螺栓預緊力的操作步驟：
1. 右鍵點擊 Environment 樹對象或活動的 Dynamic Relaxation 對象，選擇 “Insert”>“Bolt Pretension”。
2. 將 “Scoping Method” 設置為 “Geometry Selection”（幾何選擇）或 “Named Selection”（命名選擇），然后選擇實體
3. 指定一個坐標系來定義切割平面。該切割平面以所選坐標系的原點為中心，并與 X - Y 平面對齊。
4. 利用 “Tabular Data” 字段將預載應力定義為時間的函數，通過 “Shear Stress Flag” 定義作用于實體的剪應力類型。
注意事項
? 螺栓預緊載荷不支持完全重啟。
展開 Ansys Workbench中Bolt Pretension施加方法
Ansys Workbench使用Bolt Pretension施加預緊力有三種方法：
(1) 實體模型(對面施加，一般為圓柱側面)
(2) 線模型(對Line施加)
(3) 運動副Beam類型
情況(1)的使用很常見，故這里只說明后兩種情況的設置方法，尤其對線模型施加需要注意的點。
演示使用的基本模型如下：
下面分別使用設置運動副Beam類型和線模型兩種方法在上下兩個孔之間施加螺栓預緊力。
1、運動副Beam類型施加
在上下兩個孔之間添加運動副Beam，如下圖中灰色的桿件：
模型孔直徑為35mm，設置Beam半徑為15mm如下圖：
該模型中Beam類型設置的Refrence和Mobile分別為模型上下表面的圓孔邊如下圖：
設置Bolt Pretension，Scoping Method選擇為Beam Connection即可對Beam施加預緊力，這里設置的預緊力值為1000N如下圖：
變形結果(隱藏Beam)如下圖：
應力結果(隱藏Beam)如下圖：
2、線模型施加
在兩個孔之間建立線實體(下圖中綠線所示)：
模型孔直徑為35mm，設置線截面直徑為30mm。
注意Line Body與實體之間需要使用Joint設置接觸關系如下圖，若使用Contact類型則計算無法進行：
Joint設置如下圖
選擇該條線施加螺栓預緊力，預緊力值同為1000N如下圖：
變形結果如下圖：
應力結果如下圖：
3、結論
兩種方法得到的結果很接近。
展開 Ansys WorkBench 錐螺紋靜力分析
設置螺栓預緊力Bolt Pretension，
點擊A5 > Load > Bolt Pretension > 選擇螺栓桿的一個半弧面 > Apply > Preload：5000N。
結果查看總形變和等效應力，求解。
查看總形變，不顯示網格，顯示比例1:1。
與普通螺紋聯接的形變圖類似。
查看等效應力，應力同樣集中在前幾圈的螺紋聯接上。
Ansys 案例研究 | 剪力作用下的螺栓連接
3.導入“簡單螺栓連接（Simple Bolted Joint）”幾何體。
4.檢查幾何定義。這里有兩塊板、一個螺栓和一個螺母，它們都是實體。由于這些實體是分離的部件，我們需要在它們之間定義接觸。
a.檢查單位，確認對于本次分析已正確設置為公制（mm, kg, s）；
b.對于此案例，為所有體分配"Structural Steel NL"材料，如我們在第2步中所添加的。
5.在實體之間創建接觸。
a.系統已自動生成各體之間的接觸，修改它們使每個接觸具有正確的接觸類型；
b.在兩塊板之間、螺栓頭與頂板之間、螺母與底板之間設置摩擦接觸 （Frictional contact），摩擦系數為0.2。保持其他設置為默認值；
c.在螺母和螺栓螺紋部分之間設置綁定接觸（Bonded contact），其他設置保持默認值。
6.生成網格，單元尺寸為0.4mm。
對于螺栓實體，應用“多區域（MultiZone）”網格劃分方法。
7.通過應用邊界條件來設置工況并求解。
a.在“分析設置（Analysis Settings）/步驟控制（Step Controls）”下，設置“步驟數（Number of Steps）=2”，因為施加了螺栓預緊力（Bolt Pretension）；
b.將“自動時間步長（Auto Time Stepping）”設置為“開（On）”，并按“子步 （Substeps）”定義，初始子步=10，最小子步=10，最大子步=100。
展開 
Ansys WorkBench “等強度”螺紋聯接之內錐螺母靜力分析
設置螺栓預緊力Bolt Pretension，
點擊A5 > Load > Bolt Pretension > 將模型剖開選擇螺栓桿的一個半弧面 > Apply > Preload：4000N。
結果查看Z軸上形變、整體等效應力和螺栓等效應力，求解。
查看整體等效應力，不顯示網格，顯示比例1:1。
與普通螺紋聯接的不同，在每圈螺紋上都有應力，雖然在下端幾圈應力有些大，但是比起普通螺紋聯接，更加接近“等強度”。
下圖是使用相同條件求解出的普通螺紋聯接的應力圖，很明顯應力集中在前幾圈。
查看“等強度”螺紋聯接中螺栓的等效應力，在每圈螺紋上都要一些相同顏色的應力區域。
展開 在radioss中做螺栓預緊力分析的例子
Cantilever Beam with Bolt Pretension.rar
cantilever.rar
用Pretension bolt 命令給實體螺栓加預緊力，報位移約束的錯
有償求大神解答一下
Workbench螺栓連接的模擬方法
通過Beam連接模擬的螺栓同樣可以添加螺栓預緊力，添加方法如下，插入Bolt Pretension，在Scoping Method下選擇通過Beam連接方式施加預緊力，并選擇相應的Beam連接，在preload處施加預緊力，如圖5。
圖5
對與螺栓預緊力的加載，我們通過兩個載荷步施加，在第一載荷步上加載預緊力，第二載荷步將預緊力鎖死，如圖6。
圖6
載荷與邊界條件如圖7，在螺栓預緊力下，結構的變形與等下應力如圖8，圖9。進一步在solution information>Geometry中可以查看到，Workbench對Beam連接模擬螺栓是通過約束方程實現的，如圖10.
圖7
圖8
圖9
圖10
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展開 螺栓的預載為什么一定要分成兩步 ￥9.9
在ANSYS中，使用Bolt pretension 可以施加一個螺栓預載荷，螺栓預載荷這種加載方式對我們的螺栓連接計算來說非常便利。
對于螺栓連接計算來說，我們需要計算的情景一般都是既有螺栓連接，又有其它載荷。比如壓力容器端蓋，其使用螺栓連接，端蓋既受到螺栓的預緊力，又受到氣體壓力，這兩種載荷同時作用。那么，兩種載荷如果放在同一個載荷步中加載，結果是否正確呢，還是需要分成兩步，先加載螺栓載荷，再加載壓力載荷？
筆者已經不止一次在碰到帶有螺栓預載荷的受力分析時發現因為載荷加載錯誤而出現錯誤結果，所以對螺栓載荷加載的理解非常重要。
下面我們就對于這個問題進行探討并介紹ANSYS里面的螺栓預載荷的各種參數。
首先，我們先考慮實際的螺栓連接情況，螺栓連接兩塊鐵板，由于螺栓預拉力，鐵板會被壓縮L1（假設板被均勻壓縮）, 為了提供這個預拉力，螺栓本身也會伸長，設為L2， 那最終以下面黃色板為參考面，螺栓端部向下的變形量為L1+L2.
這個過程我們也可以分成三部分，如下圖，圖1為自由狀態，此時無內應力，圖2為有一個壓力F預先將板壓縮L1, 此時螺栓端部已經向下移動L1， 到圖3第三步，將螺母擰緊，擰到螺栓伸長L2時螺栓拉力為F, 此時撤去預先加在鐵板上的力F, 各部分達到平衡。F即為螺栓預緊力。我們可以看到，L1和L2的比值就是鐵板和螺栓剛度比值。根據公式σ=Eε à F/A=E*ΔL/L，如果螺栓材料和板材的彈性模量E一樣的話，比值就是兩個的面積A之比。
此時，這邊的L1+L2就是Adjustment的值, 需要注意的是，我們螺栓的絕對伸長量只有L2，實際中，我們的螺母是沿著螺栓運動的，而在FEA中，螺母是不動的。
展開 lsdyna中動力松弛-螺栓預緊力加載-beam
3.動力松弛方式加載
3.1建立梁連接
在螺栓添加之間建立一個梁連接，設置好對應的接觸面，梁連接的好處是僅僅考慮質量慣性，沒有自身的彎曲，預緊力中載荷加載和靜力學相同，為切斷圓柱方式.
3.2加載動力松弛
在設置中可以添加dynamic relaxation，并且添加bolt pretension，設置如下所示，其中動力松弛中的方法設置為implicit隱式算法，螺栓預緊力中添加螺栓載荷.
3.3結果查看
在lsdyna中計算0.01s的時間，查看變形和應力結果，可以看到螺栓預緊力將兩個梁壓彎，但是并沒有產生過大的抖動，達到了初始預緊力的加載需求
4.靜力學+動力松弛方法加載預緊力
4.1靜力學計算
按照常規方式在靜力學中加載螺栓預緊力100N，獲取靜力學的變形
4.2靜力變形+動力松弛
在lsdyna中讀取靜力學變形，再添加一個lsdyna模塊，將結果導入lsdyna，如圖所示。得到的結果只能是位移變形，這樣就能得到初始的預添加受力的變形了.
在添加一個動力松弛dynamic relaxation，選項設置為explicit after ansys solution，之后的設置為顯示動力學計算的設置收斂方法
計算的結構變形如圖所示，可以看到螺栓預緊導致的變形保持住幾乎不變，之后再進行其他的碰撞類分析就好了
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1.施加位置：螺栓預緊力（bolt pretension）要加在螺栓的外圓柱面上。大家可以理解為，在螺栓的 “側面” 進行受力添加操作。
2.計算原理：具體計算時，會把螺桿的圓柱體按照面的選擇平均切成兩部分。計算過程中，這兩個圓柱體上下擠壓重疊，從而實現預緊力的加載。就好比把一根香腸從中間一分為二，然后讓這兩段香腸上下擠壓，模擬出預緊的效果。
三、模型常見問題及解決妙法
（一）螺栓太長的麻煩
有一種情況很讓人頭疼，就是螺栓太長，而且全部長度都在一側。當給這樣的螺栓施加預緊力后，螺柱雖然被分成了兩部分，但兩部分的收縮都集中在一側內部，這樣得出的結果肯定是錯的。從實際效果看，螺栓對上面平板的擠壓力會變得非常小。比如在一些大型機械的結構模擬中，如果螺栓設置過長，就會出現這種問題，影響對整體結構受力的判斷。
（二）解決辦法大盤點
1.添加局部坐標法：第一種解決辦法是給模型的螺栓預緊力添加局部坐標，把坐標的 Z 方向設為拉伸方向。這么做之后，螺栓會在局部坐標的 XY 平面被切割成兩部分，就能得到正確結果啦。這就像是給螺栓的 “切割” 過程設定了一個特定的規則，讓它按照我們期望的方式進行。
2.設置表面印記法：第二種方法是在模型的上面部分設置表面印記，單獨把施加預緊力的范圍切割出來，這樣也能得到正確的結果。可以把它想象成給要施加預緊力的區域做了個 “標記”，讓計算更精準。
四、網格問題別忽視
要是網格質量差，生成的網格比較粗糙，就可能出現螺柱網格和平板網格相互滲透的情況。別擔心，解決辦法就是把螺柱表面和圓孔部分設置為接觸，同時調整參數為 “adjust to touch”，這樣就能避免這種問題，讓分析結果更可靠。
展開 
ANSYS workbench接觸問題案例——卡箍連接
四、邊界條件
施加的邊界條件總共有五個，分別是：
A:螺栓預緊力1000N，利用到了Bolt pretension工具。
B:固定約束。
C:外力600N。
D&E:遠端載荷，模擬兩端水管的重量。
注意這段管路自身的重量和內部流體重量和外力比起來是個小量，分析中可以忽略。
五、求解及分析
首先，從Contact tool→Status圖上可以看出各個接觸區域的接觸狀態。接觸狀態符合我們的預期。
接下來可以觀察穿透量，我們發現在曲率變化的位置發生了穿透。程序提供的罰函數法和增強拉格朗日方法都是基于罰函數方程Fnormal=knormalXpenetrate
其中，k=法向接觸剛度，X=接觸穿透量。
對有限接觸力來說，接觸剛度越高，穿透量就越小，越符合真實物理情況。但是剛度大求解起來困難，因此只要保證穿透量足夠小，即認為求解是精確的。
對于所有柔性體接觸，程序默認使用增強拉格朗日方法。它與罰函數法的區別在于加大了接觸力的計算，公式變為Fnormal=knormalXpenetrate+λ，在同樣接觸力的情況下，增強拉格朗日方法需要的k值較小，就能得到符合要求的穿透量。
觀察各個零件的應力應變情況。
可以看出管道受擠壓處有變形（圖中是放大多倍的），此處應力最大，達到近30MPa。
管道的最大變形發生在管道一側，因為此處承受其他管道帶來的剪力和拉力。
觀察卡箍的受力情況，如圖所示：
最大應力發生在卡箍安裝孔外緣，這也是符合預期的。應力數值達522Mpa，GB/T699-1999標準規定45鋼抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa。我們分析的結果說明這個卡箍零件在這種工況下是不適用的，應當進行設計改進。
展開 關于結構計算的邊界條件清單
在支持的求解環境中，右擊求解類型，選擇Insert>Bolt Pretension，則在細節窗口出現如圖5-18所示的定義螺栓預緊力的設置面板，該面板包括兩個選項：載荷作用范圍（Scope）和定義方法（Definition）。
2.7 力矩
對于實體，力矩可以施加在任意表面，假如選擇了多個表面，那么力矩將分攤在這些表面上。力矩可以用矢量及其大小或者分量來定義。當用矢量表示時，其遵守右手法則。在實體表面，力矩也可以施加在頂點或邊緣，這與通過矢量或分量定義的以表面為基礎的力矩類似。力矩的單位為力乘上長度
在支持的求解環境中，右擊求解類型，選擇Insert>Moment，則在細節窗口出現如圖所示的定義力矩的設置面板，該面板包括三個選項：載荷作用范圍（Scope）和定義方法（Definition）和高級選項（Advanced）。
2.8 線性壓力
線性壓力只能用于三維模擬中，通過載荷密度形式給一個邊上施加一個分布載荷，單位是單位長度上的載荷。如果用戶將施加線性壓力的邊的幾何參數進行了參數話，如果該邊變大或縮小后，線性壓力保持不變，但是總壓力會隨之增大或縮小。
3、位移約束
3.1 完全固定約束
完全固定約束，可以施加在點，線，面上，并且在這些位置的位移設置為0，即為完全剛性約束。
3.2 位移約束
位移約束，可以施加在點，線，面上，并且在這些位置上1可以設置0位移和非0位移約束，0位移約束等效于完全固定，非0位移約束，相當于位移載荷。用戶可以通過指定不同的坐標系，施加徑向和周向約束。
3.3 遠端位移約束
用戶可以在點，線和面上施加遠端位移，遠端位移可以在實體模型的邊界上引入轉動自由度。
展開 管道疲勞強度分析及優化(Ansys Workbench)
在對應靜力分析環境下，在分析設置（Analysis Settings）中設置載荷步的步數為2，接下來在螺栓螺紋的圓柱表面添加螺栓預緊載荷（Bolt Pretension），在Step1中設置預緊力大小，在Step2中定義鎖定（Lock） 。
（２）增加一個求解組合（Solution Combination）分支條，在工作表（Worksheet）中，添加用于計算的兩個環境（Environments）。環境前的系數設置為1。
（３）為求解組合（Solution Combination）添加Fatigue Tool，并將載荷類型定義為“非比例”（Non‐Proportional），疲勞強度因子設置為0.8。
（４）定義疲勞壽命（Life），求解疲勞壽命大小。
1.4 恒定振幅疲勞分析
為了對比結果，首先對于環境一進行不考慮螺栓預緊力的靜力計算，得到管道的最大von Mises應力值為121.85MPa，最大von Mises應力出現在螺栓根部。結果表明在受到液體作用力時，螺栓根部是最危險的位置，vonMises應力云圖如圖4所示，管道的整體變形云圖如圖5所示。由變形云圖可以看出，上法蘭表面各個螺栓之間產生的變形較大，當管道受到載荷作用，管道的上下法蘭面有分離趨勢，有螺栓的部分由于受到螺栓限制，變形相對小一些。在環境一靜力計算的基礎上，添加Fatigue Tool模塊，設置疲勞強度因子為0.8，由于管道在實際工作中只受到一個方向的作用力，載荷比率R設置為0，管道受到脈動循環載荷，載荷比率曲線如圖6所示。
展開 ansys workbench mechanical 所有命令
Category:
LSDYNA PreTab
Commands:Key assignments:
Section (Part)
Hourglass Control (Part)Assign
Adaptive Region (Part)
Adaptive Solid To SPH (Part)Remove
Drawbead (Conditions)
Birth And Death (Conditions)Reset All
Sliding Plane (Conditions)
Deformable To Rigid (Conditions)
Box(Conditions)
Scope Existing Acceleration (Conditions)
Bolt Pretension (Conditions)
Input File Incude (Conditions)
ALE Boundary (Conditions)
Contact Property
Rigid Wall
Airbag
Rigid Body Rotation (Rigid Body Tools)
Rigid Body Angular Velocity (Rigid Body Tools)
Rigid Body Force (Rigid Body Tools)
Rigid Body Moment (Rigid Body Tools)
Rigid
展開 