螺紋分析的案例
Abaqus帶螺紋螺栓接觸應力分析淺析 Abaqus帶螺紋螺栓接觸應力分析淺析
在實際情況下，很多結構都采用螺栓連接的方式，如何考慮螺栓連接、對連接螺栓的分析計算是個難點。目前的常規做法通常有兩種：1.簡化，用RBE2和beam梁來代替螺栓，這樣不能反映連接螺栓真實應力，圖1為某結構連接螺栓簡化的beam梁應力云圖，沒有接觸應力：
.直接做出來螺栓螺紋采用接觸分析，雖然得出的結果很精確，但這樣前處理工作量大（螺栓和螺紋用六面體網格建模）、計算量大（接觸收斂困難），如圖為某結構帶螺紋螺栓和連接件模型（圖2）和計算得出的結果（圖3）：
圖3 計算結果
那么，有什么好辦法可以不用簡化帶螺紋螺栓，不用直接做出帶螺紋螺栓，又能得到足夠精確的結果？
運用大型通用非線性有限元分析軟件Abaqus，只需要在接觸定義中設置跟實際螺紋形狀有關聯的參數，如牙角、螺距、螺栓小徑等，就可以模擬真實的連接螺栓接觸狀況。既可以得到足夠精確的分析結果，又節省了時間專注進行其他的分析設置。如圖4，為連接螺栓接觸來定義帶螺紋螺栓：
圖4 連接螺栓接觸來定義帶螺紋螺栓
圖5為某結構直徑10MM的帶螺紋的連接螺栓接觸壓力分布云圖：
圖5 某結構直徑10mm帶螺紋的連接螺栓接觸壓力分部云圖
展開 螺紋連接松動機理有限元仿真分析...
通過模擬實際螺栓擰緊過程對螺栓施加預緊力， 通過物理規律推導螺栓預緊力與擰緊力矩之間的關 系，對比仿真結果和理論計算數據驗證了模型的正確性，同時通過仿真結果可以直觀看出螺紋牙的載荷分 布不均勻現象，如圖 7 所示。
3 螺紋連接松動瞬態動力學仿真分析
3.1 瞬態動力學分析前處理
對螺紋連接結構使用瞬態動力學進行松動仿真分 析，本文中螺紋連接結構橫向振動試驗仿真分為兩種 類型，第一種振動循環次數多，用于觀察螺栓預緊力 的減小與循環次數之間的關系；第二種振動次數少， 但分析子步較多，用于分析螺紋連接結構的松動原理。為了改善瞬態動力學模塊中非線性計算的收斂特 性，將被連接件設置為剛體。接觸設置除了靜力學中 的 4 處接觸外，新增一處接觸，螺栓外表面和被連接 件孔內表面之間的接觸。在振動分析中螺栓預緊力加 載也在瞬態動力學中進行，約束設置分為兩個部分， 第一部分約束設置和靜力學中仿真分析螺栓預緊過程 一致，第二部分釋放螺栓和螺母的約束，被連接件使 用遠程位移約束添加振動位移。分析分兩步，第一載 荷步用于加載預緊力，初始時步 0.6 s，最小時步 0.02 s， 最大時步 1 s；第二載荷步用于施加振動載荷，初始時 步 0.1 s，最小時步 0.01 s，最大時步 1 s。
3.2 仿真分析結果
螺紋連接結構有限元模型在瞬態動力學仿真分析 過程中的力收斂曲線如圖 8 所示。
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螺紋嚙合接觸分析
案例56-螺紋連接分析
該示例問題演示了2-D到3-D分析的能力和優點，這些問題需要將2-D模型解擴展到相應的擠出3-D實體。
重點介紹了以下特性和功能：
• 將二維模型擠出為三維模型（EEXTRUDE）。
• 將解變量從二維網格映射到新的三維網格，并重新平衡結果（MAP2DTO3D）。
• 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。
展開 
套管偏梯形螺紋接頭有限元分析
套管偏梯形螺紋接頭有限元分析.pdf
Ansys WorkBench 錐螺紋靜力分析
WorkBench中的Bolt Thread可以使用簡單的面接觸對來模擬螺紋聯接，但是僅限于普通螺紋聯接，如果是錐螺紋聯接就必須使用實際的螺紋聯接進行分析。
螺紋聯接是復雜曲面，直接導入后打開系統默認無法處理會不予以顯示，需要在導入模型后雙擊Geometry在SCDM中打開生成模型，再雙擊Model進入分析模塊。
模型由三個零件組成，螺栓、螺母和墊板。剖開模型即可看到螺栓與螺母上的螺紋聯接。
錐度1:16。
材料使用默認的結構鋼（Structural Steel）。
螺母與墊板、螺栓與墊板之間的接觸都是有摩擦接觸，接觸面使用系統默認。
點擊A4下Connections > Contacts > Contact Region 1/ Contact Region 2> Definiton > Type：Frictional；Friction Coefficient：0.15。
螺紋聯接需要設置接觸面，系統默認的接觸面過于繁雜，有些面并沒有接觸到。在螺紋聯接中，往往只有一側面受力。
根據上圖中的接觸圖選中相應面設置螺紋聯接的接觸。
點擊A4下Connections > Contacts > Contact Region 3>Scope > Contact 和Target選擇相應的面。
展開 【APDL Showcase研讀分享】螺栓螺紋咬合分析（螺紋截面法）
本showcase演示了一種通過螺栓截面法模擬螺栓螺紋的簡化建模技術——螺栓螺紋建模技術（螺紋截面法）。該方法得到的近似結果接近于真實螺紋螺栓模型的精度，但不需要詳細的螺紋幾何和精細的網格離散。螺栓截面法還大大節省了模擬時間。
研讀分享不易，如果覺得本文有價值，請不吝點贊、關注！
【簡介】
螺栓連接用于將兩個或多個部件連接在一起，形成一個機械結構的組件。為了實現螺栓連接結構的預期物理行為，需要一個詳細的三維螺栓模型，包括螺栓預拉力效應和接觸界面的摩擦行為。然而，對于大型、復雜的結構，由于問題規模的限制和與分析整個結構相關的計算成本，螺栓連接的詳細建模是困難的。
螺栓螺紋建模技術 可用于2-D和3-D接觸單元，提供了簡化的建模，精度接近于真正的螺紋螺栓模型。螺栓螺紋建模技術可以通過分配一個“螺紋截面” (由SECTYPE命令定義)來模擬覆蓋在光滑圓柱形螺栓表面上的接觸元素。為了近似螺栓的行為，根據用戶指定的螺紋幾何數據和螺栓軸的端點(通過SECDATA命令輸入)在內部執行計算。
螺栓螺紋建模技術對于系統級建模是很有用的，其中螺栓的主要功能是傳遞負載。由于沒有幾何細節和網格離散化，該方法在計算成本上也不昂貴。該技術可應用于三維模型和二維軸對稱模型。
【案例介紹】
螺栓連接的兩個主要特性是預緊和螺紋配合部分的接觸。為了模擬螺栓的配置，建立了M120螺栓與一個蓋板和一個底板模型。
螺栓的最大直徑為120mm，節徑為116mm，節距為6mm，半螺紋角度為30度（按標準螺紋輪廓）。
螺栓預緊力為256446 N，模擬實際螺栓現象。定義了三個摩擦接觸對（FCP）：一個在螺紋區域內；一個在螺栓頭與蓋板之間；第三個在蓋板與底板之間。
展開 螺紋連接:仿真分析簡化
01 前言
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。
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?
回答當然是肯定的，主要有幾點原因:
①復雜裝配體動輒成百上千的螺栓連接，大量的螺栓連接直接導致費時的接觸對創建工作
有伙伴會說:現在很多軟件可以使用批處理，自動識別接觸對或者通用接觸大幅度縮減這部分工作量
但是，
②螺栓連接涉及接觸非線性問題，非線性的引入使得求解需要迭代，對于大型裝配體，其調試成本，計算時間不容小覷
有伙伴會說:公司電腦擱那放著，啥時候算完啥。時候提取結果，并且用顯式動力學不存在接觸收斂問題
但是，
③顯式動力學雖然不存在接觸收斂問題，其對網格尺寸相當敏感，而螺栓局部特征相對于整體一般較小，直接導致計算量拉跨
有伙伴會說:上超算，開并行，再大計算量都不是問題
但是，
④大部分結構動力學分析基于線性動力學體系，也就是說模態分析，諧響應分析，線性瞬態分析，隨機振動分析，譜分析都不能考慮非線性效應
有伙伴會說:將螺栓預緊后的狀態作為預應力考慮到后續線性動力學工況中
確實這樣在一定程度上是可行的
但是從個人角度，最關心的還是計算量及前后處理的便捷性，因此大部分時間還是會考慮對螺栓連接進行進一步等效處理
簡化什么?
展開 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 【靜力分析】Ansys WorkBench “等強度”螺紋聯接之內錐螺母靜力分析 ￥50
長期以來，人們應用普通螺紋聯接時主要考慮螺紋副旋合長度和部分長度的螺紋承受載荷，如果要使螺紋副旋合長度內，全部螺紋承受載荷，需要螺紋副的旋和精度非常高，也會使成本驟漲，于此同時無論是多么高精度的螺紋，都不可避免存在螺旋線誤差和牙型角誤差，不可能使全部螺紋承受載荷。所以需要另辟蹊徑，通過結構設計使得螺紋聯接達到“等強度”的效果。
之前有分析過的錐螺紋聯接，螺栓和螺母上都是有錐度的螺紋，應力集中在前兩圈螺紋上。本次的“等強度”螺紋聯接中螺母是具有錐度的螺紋，而螺栓是普通螺紋。螺栓的下端與內錐螺母的下端（小直徑）旋合在一起，在不受力的情況下，螺母的上端（大直徑）和螺栓的上端是不接觸的，并且從下端到上端間隙逐漸增大；受力后，應力先從下端出現，逐漸延伸到上端。
以下是內錐螺母與普通螺母的螺紋聯接區別，左邊是內錐螺母，截取中間部分螺母和螺栓沒有接觸；而右邊是普通螺母，截取中間部分螺母和螺栓有一側的面是接觸的。
螺紋聯接是復雜曲面，直接導入后打開系統默認無法處理會不予以顯示，需要在導入模型后雙擊Geometry在SCDM中打開生成模型，再雙擊Model進入分析模塊。
模型由三個零件組成，螺栓、內錐螺母（錐度1:100）和墊板。
展開 
CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化2
連接關系處理
參考模型
為了得到更加有價值的對比結果，我們構造如下參考模型：
由于是對比螺栓與被連接件之間的接觸行為，因此挑選螺栓頭部與被連接件上表面作為典型接觸行為進行探討，同時為了更好捕捉到接觸區域變形，該部分至少使用10層網格進行離散
考慮到螺栓桿剛度對螺栓頭部變形有一定貢獻從而會影響接觸面行為，因此并未直接將載荷施加到螺栓頭部，而是使用更加真實的施加在螺栓桿中部
為了防止連接體系滑移，除了約束被連接件底面整體的軸向變形外，再加上螺栓桿中部的側向變形約束，并考慮一定程度摩擦力
螺栓桿直徑10mm，被連接件孔直徑直徑11mm，厚度20mm，寬度50mm，材料均為普通鋼材，螺栓桿與被連接件表面常規接觸（摩擦系數0.2），施加100MPa軸向拉應力
按照上述要求得到對應有限元模型如下（1/2模型）：
首先觀察指定拉力載荷下整體結構變形云圖及應力云圖：
可以觀察到：
①整體變形主要為螺栓處，被連接件表面變形相對較小
②整體應力除螺栓上外，被連接件接觸表面應力水平也較高
因此從整體剛度重要性把控來看：螺栓體系剛度＞局部連接剛度，但需要注意的是，由于參考模型中被連接件較厚并且都為鋼材，如果遇到被連接件為鋁材或者較薄情況，局部連接剛度的重要性會上升
下面詳細查看局部接觸部位的變形：
可以觀察到在較大軸向拉力作用下實際被連接表面的側向滑移量較小
詳細提取接觸表面的變形情況：
根據曲線可以看出，在靠近接觸面部位變形最為明顯，遠離接觸面部位變形影響逐漸減小，到端部基本沒有影響
接下來查看接觸區域的壓力分布：
展開 基于ABAQUS的螺紋分析
一、 前處理
1、網格劃分
螺栓和螺母采用四面體網格劃分，四面體網格劃分方法可參照之前發布的《基于ANSA的四面體網格劃分技巧》視頻教程，螺栓和螺母的有限元模型如下圖所示：
2、 材料設置
螺栓和螺母的材料參數具體情況具體分析，其中彈性模量、泊松比、密度、材料曲線都是必須項。
二、求解設置
1、分析步設置
分析類型選用顯示動力學，幾何非線性打開，時間自己設定。
2、 輸出設置
場輸出主要包括：CSTRESS,MISES,S,U等信息。
時間歷程輸出可以取消，也可以輸出ALLAE\ALLDMD\ETOTAL等信息。
3、接觸設置
設置摩擦系數和接觸類型
4、載荷加載和約束
在螺栓上施加50Mpa壓力、添加幅值曲線。約束螺母外面四邊，詳細壓力加載位置和約束情況如下圖所示：
5、提交計算
設置好計算核數，提交計算即可。
三、分析結果
螺栓應力云圖如下：
螺母應力云圖如下：
裝配應力云圖如下：
剖視圖應力云圖如下：
四、詳細操作視頻網址如下：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c15361
展開 案例37-螺栓螺紋分析
分析和求解控制
在兩個加載步中進行非線性靜態分析。分析中包括大變形效應（NLGEOM）。
結果和討論
對所有三種方法的比較研究表明了螺栓截面法的有效性和簡單性。
2-D模型的結果
軸向（UY）位移
在下圖中可以觀察到預緊效應，其中兩個螺栓段相互拉動。
Von Mises應力
下面的von Mises應力圖顯示，所有三種方法中的桿部應力都相似。用戶自定義的等高線值用于比較。僅在局部區域（如螺紋區域或螺栓頭和蓋板接觸區域附近）觀察到變化。
螺栓截面法的螺紋區域應力圖與真實螺紋模擬的應力圖非常匹配，MPC法的應力曲線也有所不同。應力圖之間的比較表明，可以采用螺栓截面法精確模擬螺栓中的螺紋行為和桿部應力。
沿一條路徑的線性化應力
對于所有三種方法，y=280時螺栓桿沿路徑的線性應力相似。真實螺紋模擬值為329.2 MPa，螺栓截面法為329.7 MPa，MPC法為330.10 MPa。
3-D模型的結果
接觸狀態
在螺栓截面法的接觸狀態圖中可以觀察到螺旋圖案。如果網格在螺紋區域中足夠精細，則可以獲得更精確的螺旋圖案。
軸向（UY）位移
在下圖中可以觀察到預緊效應，其中兩個螺栓段相互拉動。
Von Mises應力
與二維情況類似，三維模型的von Mises圖顯示，所有三種方法中的桿部應力相似，僅在局部區域觀察到變化。
螺栓截面法的螺紋區域應力圖與真實螺紋模擬的應力圖非常匹配，MPC法的應力曲線也有所不同。這驗證了螺栓截面法達到接近真實螺紋模擬精度的結論。
截面處的Von Mises應力
對于所有三種方法，y=280截面處螺栓桿的平均von Mises應力相似。
展開 使用 COMSOL 軟件分析裝配中螺紋管件的應力
管道設計普遍選用螺紋鋼管，然而后者精細的幾何結構給分析復雜管道設計帶來了不少難題。采用什么方法才能有效地將精密的結構設計和可靠的應力分析結合起來的呢？COMSOL? 軟件提供了這項專業功能。
螺紋結構的復雜性
假設你剛剛為上文提及的螺紋鋼管創建了管件 CAD 裝配?，F在為了更好地了解管件在管道系統中的性能表現，你需要對裝配進行應力分析。利用 LiveLink? 接口產品，你可以將 COMSOL Multiphysics? 軟件集成到自己設計流程中，從而實現類似的分析。
螺紋管在噴水滅火器系統中很常見。圖片處于公有領域，通過 Wikimedia Commons 共享。
螺紋結構包含了大量的細節。這些 CAD 裝配極其復雜，迫使我們進行大量的預處理工作，而且其分析過程也會占用更多的計算資源。一種解決方案是假定螺紋為對稱圖形，然后從三維實體中截取二維截面以進行求解。
在 COMSOL? 軟件之前的版本中，同步后，我們不得不重新手動定義原始幾何中的選擇，這是一個耗時的過程。5.3 版對此進行了改進，提高了創建 CAD 裝配選擇的效率。所有相關的選擇均可自動加載，然后在 COMSOL Multiphysics 環境中被指派到合適的地方。這使得運行參數化研究、基于二維分析改進三維設計成為可能。
想要參考第一手案例嗎？好消息：“案例下載”的最新教學模型重點演示了這項功能。
注意：今天的示例使用的是 LiveLink? for SOLIDWORKS?，在 LiveLink? for Inventor? 也擁有此功能。更多細節請參見 COMSOL Multiphysics 5.3 版發布亮點。
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