ansys螺紋簡化分析
關注創建者：王靖雯 創建時間：2023-03-07
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ansys螺紋簡化分析的實例教程
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 ，④中需要對比加載前后得到應力幅，⑤中需要額外提取接觸反力，⑥只能得到結論但是較難得到極限抗剪能力，而對于①⑦及⑧中部分存在的問題會較多
03、實體螺栓建模的優缺點
上述內容可能會讓人覺得筆者是不是對有限元分析要求太高了
從客觀角度講，實體螺栓建模最大的優勢并不在于螺栓校核方面，而是在于能夠較為準確地模擬螺栓對整體結構的影響
也就是說，實體螺栓+摩擦接觸組合，能夠較為準確的體現螺栓在受到各種載荷下的變形以及接觸情況，直接影響裝配體靜剛度以及動剛度性能的模擬是否準確，而這也是其它簡化方式很難計算部分
而實體螺栓建模的缺點也非常明顯
首先引入了非線性接觸作用，導致計算時間較長，分析類型也受到限制
其次實體螺栓中各種典型體系內力不便于獲取或者存在缺失，增大了校核難度
為了降低接觸的計算量和后處理提取內力的問題，實體螺栓的替代方案是實體+梁或者純梁模型，但是依舊避免不了非線性接觸的引入
那么，有限元分析對于螺栓連接到底怎么處理更合適呢？
展開 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 ，這里篩選了幾個常用的備選方案：
綁定接觸大家相對比較熟悉，表示接觸面既不發生分離也不發生滑移，類似于面-面的耦合，連接剛度由接觸面對綜合決定
Rbe2代表一種特殊的多點約束方式，不同求解器中叫法不同，比如simulation中叫“剛性”，ansys中叫“cerig”，abaqus中叫“coup_kin”，體現一種剛性的連接行為
Rbe3也代表一種特殊的多點約束方式，simulation中叫“分布”，ansys中叫“rbe3”，abaqus中叫“coup_dis”，體現一種柔性的連接行為
當然，用來模擬綁定連接行為的方式還有很多，比如分布式的rbe2，分布式的rbe3，梁單元等等，本文僅對常用幾種進行探討，在探討的過程中大家自然可以感受到為什么會有這么多方式
對比計算
行為區別
首先使用接觸面區域建立三種連接關系，對比施加同樣工況下被連接件的變形結果及趨勢：
通過被連接件整體變形可以得到：
①Rbe2剛化作用導致局部變形一致，與實際變形趨勢相差較大
②綁定接觸和Rbe3變形趨勢目測更加接近實際，但是影響的變形范圍存在差異
下面詳細提取被連接件表面變形數據：
通過變形曲線可以得到：
①不同連接方式差異主要體現在接觸區，接觸區外變形的相對誤差均在可接受范圍內
②接觸區域變形程度：Rbe3＞實際接觸＞Bond＞Rbe2
為了更加量化去對比不同方式在接觸區域的差異，以接觸區域RMS變形作為接觸面等效壓縮變形，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
展開 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。
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本文原刊登于Ansys Blog：《Bearing Calculations No Longer a Lot to Bear with Easy-to-Use Automation Tool》
眾所周知，螺母和螺栓在一起能夠用于緊固部件，但讓部件保持運動的大功臣則是軸承。在機械工程中，軸承是幫助平衡運動和減少運動部件之間產生摩擦的機器元件
本文原刊登于Ansys Blog：《Bearing Calculations No Longer a Lot to Bear with Easy-to-Use Automation Tool》
作者：David Bourbonnais | Ansys戰略客戶經理
編輯整理：郭臻 | Ansys結構產品技術經理
眾所周知，螺母和螺栓在一起能夠用于緊固部件
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
通常情況下，如果網格處理合適，由于實體單元能夠體現的細節較梁板殼更多，因此計算結果精度理論上也更高。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
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
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
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
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。
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
