螺栓螺紋咬合分析的案例
【APDL Showcase研讀分享】螺栓螺紋咬合分析（螺紋截面法）
對于第一和第二種方法，能觀察到螺紋區域的鋸齒狀應力分布，而第三種方法丟失了螺紋區域的細節表現。
由此可見，使用螺紋截面的方法考慮螺紋咬合，即可較準確地模擬螺紋區域的咬合行為，同時也具有節省建模時間和計算成本的優勢。
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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 案例37-螺栓螺紋分析
材料屬性
采用雙線性各向同性硬化模型（TB，BISO）的結構鋼對螺栓和板進行建模。
邊界條件和加載
底板的底面在所有方向上都受到約束。在預加載螺栓后，將壓力載荷施加到蓋板的上表面。
• 在第一個加載步中，通過SLOAD命令將2544690 N的預緊力加載施加到預緊截面上。
• 在第二載荷步中，將50MPa的壓力載荷（小于等效預緊載荷）施加到蓋板的上表面。
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。
展開 ABAQUS中螺栓螺孔（螺母）的螺紋接觸分析 （step by step教程） ￥12
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</div><p><br></p><p>意思就是說：當選擇螺栓表面為主表面時，如果螺栓處于受拉狀態，矢量應指向從螺栓尖端到螺栓頭部的點；如果螺栓處于受壓狀態，矢量應指向從螺栓頭部到螺栓尖端。</p><ul><li><strong>這里重點是如何理解螺栓的頭部和尖端</strong></li><li>通過模型，直觀可以看出螺栓頭部尾部，但是分析軟件是不會自動識別的，需要通過接觸對的選擇進行判斷，<strong>螺栓的尖端具體說明</strong>見附件教程。
展開 
牙根縱裂患者的咬合應力分析
研究牙根縱裂致病的咬合力因素。方法 用光法分析 34例患者 39顆患牙的接觸合力分布 ,用三維有限元法分析下頜第一恒磨牙在 11種受力狀況下的內應力分布。結果 2 6例患者 (31顆患牙 )全口牙齒接觸合力分布不均 ,患牙接觸合力最大 ;下第一恒磨牙受到咬合力與牙長軸方向呈 30° ,水平力與偏縱向力時 ,近中根根尖部根管壁出現了較大的拉應力且集中于其頰舌中線部位。結論 接受較大咬合力和有害應力并長期集中在患牙近中根根管壁的頰舌中線部位 ,是牙根縱裂發病的一個重要因素
牙根縱裂患者的咬合應力分析.pdf
展開 Twin-block的咬合碰撞分析 ￥800
Twin-block矯治器由分別就位在上、下頜的具有斜導面的咬合誘導導板組成。上、下導板的咬合接觸面以70度角交鎖。通過咬合時斜面引導力的作用,使下頜骨向前移動,改善上、下頜骨矢狀向不調。本案例基于隱形矯治牙科領域內的Twin block矯治器進行咬合接觸碰撞分析，計算了矯治器的變形和受力特性，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
【經典案例欣賞10】帶螺紋螺栓對拉模擬
項目難點：
1、螺紋精細建模；
2、接觸設置。
若有興趣，可加我QQ2170453510。
改善螺紋孔螺栓連接面壓分布及變形的方法
螺紋孔螺栓連接
螺紋孔螺栓連接是十分常見的連接形式，當安裝空間不足或不便布置螺母時，這種連接形式就成為了首選方案。
2. 螺紋孔螺栓連接的不足
一般情況下這種連接形式可以滿足常見的應用需求，但部分應用中這種連接形式存在一定先天不足。
例如：
1，用于密封面時，這種連接形式的面壓分布均勻性較差，可能導致泄漏。
2，孔口部位變形較大，用于輕金屬時更加明顯（輕金屬彈性模量和屈服強度普遍偏低）。
與通孔螺栓連接不同，螺紋孔螺栓連接的“變形體”體積較小，帶來的影響就是螺紋孔孔口的變形、應力都比較高，而且這部分材料承受了拉伸力，造成局部材料變形。
當螺紋孔螺栓連接用于密封應用時，被連接件之間通常存在密封墊，密封墊剛度低，孔口局部變形更加明顯。這也造成密封墊的面壓分布不均，嚴重時引起泄漏。
3. 改善方法
可以通過在螺紋孔處設計沉孔來改善這些問題，這種方法成本極低且占用空間較少。
在《內燃機設計》（楊連生）中是這樣表述的：
機體上氣缸蓋螺栓孔的上端應有深度約為0.3d1的沉孔（d1為螺紋外徑），以避免氣缸體頂面的局部變形。
可見，在螺紋孔處設計沉孔是作者強烈推薦的設計方案。
使用CAE來分析沉孔的效果。
案例描述：
部件材料：鋼
螺栓規格：M14
螺栓軸向預緊力：60000N
摩擦系數：全部按0.15
螺紋部位采用：螺紋接觸幾何修正
模型：線性，未考慮材料屈服。
螺栓預緊力加載后可以觀察到，螺紋孔周圍的面壓高于遠離螺紋孔的部位。在沒有設計沉孔的部件上，孔口周圍面壓集中度很高，而在具有沉孔設計的部件上，孔口周圍的面壓分布均勻性有很大改善。
展開 WB13.0螺栓疲勞校核（接觸分析，螺栓預緊力，疲勞分析模）
高強螺栓結構應力與疲勞校核分析報告.zip
高強螺栓的疲勞分析校核。應用WB自帶的疲勞分析模塊，對螺栓進行應力分析和疲勞校核。
特點：疲勞分析模塊的應用；螺栓預緊力；對稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業隱私，和單位法規的規定，隱去報告中含有隱私的 部分，望大家見諒和理解，歡迎大家討論，共同進步。
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 
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 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 【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 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?
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