ansys螺紋連接簡化的案例
螺紋連接:仿真分析簡化
如圖所示，螺栓體系主要包含變形行為(螺栓變形+被連接件變形)以及接觸行為(螺母接觸+螺栓頭接觸+螺紋接觸+螺母接觸等)
其中變形行為反應了螺栓體系受到外力作用后的變形情況，對應螺栓體系的等效剛度，主要包含螺栓等效剛度和被連接件等效剛度
接觸行為反映了螺栓體系之間的連接關系，對應接觸面之間的粘合，分離及滑移
因此螺栓連接體系簡化的核心就是:使用各種單元或者連接關系來等效替代真實的連接剛度及連接關系
怎么簡化?
首先，螺栓完成擰緊之后，如果沒有發生旋轉型松動，螺栓與螺母嚙合螺紋之間理論上相對滑移。量較小，可以使用綁定接觸替代
其次，由于摩擦型螺栓要求外載作用下不發生分離和滑移，因此螺栓頭→被連接件，螺母→被連接件實際行為也類似于綁定接觸
一旦可以使用綁定接觸考慮問題(線性問題)，那么約束方程，耦合，各類連接單元都可以引入。進來，這樣問題的核心就只剩下如何合理等效連接體系剛度
最后，被連接件未分離之前，軸向連接剛度基本呈現線性關系:切向剛度由于摩擦阻力作用因此可以不進行考慮:彎曲剛度相對較為復雜，與工況和模型相關并呈現顯著非線性行為
而剛度的等效可以使用彈簧單元，cbush單元，梁單元以及實體單元
這樣，整個簡化的初始思路基本就確定了，下面需要做的就是將各種方案進行對比驗證，得到各自使用的精度和條件
按照前文思路，分別從連接關系及連接剛度兩方面進行探討
注意的問題?
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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？
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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
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從節點接觸反力來看，壓力并不是均勻的分布在接觸面上，而是兩端較大，中部相對小一些，也就是說具有邊緣效應
對比模型
為了簡化上述非線性接觸，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
展開 
如何快速在ANSYS Mechanical中模擬螺紋連接
結構連接中采用螺紋連接應用非常廣泛，通常我們在進行有限元分析時，會將螺栓簡化成光桿或者甚至是一根梁。但是對于一些關鍵的螺紋連接，當我們需要考慮螺紋處的應力分布時，往往需要將螺紋細節特征建立好，然后進行仿真。由于螺紋本身細節特征較多，為保證求解精度，網格會非常多，這將大大降低求解效率。
ANSYS 15.0之后的版本中，增加了虛擬螺紋功能。在進行螺紋模擬時，我們不用建立精細化的螺紋模型就可以得到螺紋處精確的應力分布，非常便捷。我們以某拉桿為例，介紹虛擬螺紋具體設置方法。
1. 拉桿結構如下圖所示，與外部螺母采用螺紋連接，建模時我們忽略螺紋特征，將螺紋處建成光面。
2. 選擇拉桿外表面為接觸面，螺孔內表面為目標面，接觸類型為不分離。
3. 在接觸屬性中，設置螺紋具體參數：如中徑、螺距、牙型角等。
4. 對模型進行網格劃分，需要注意的是，螺紋處網格需要細化，一般網格尺寸不超過1/4螺距。
5. 對模型進行加載并求解，可以查看到螺紋處的應力分布，如下圖所示。
6. 我們建立詳細的螺紋模型，進行求解。計算結果如下所示，可以看到虛擬螺紋模型與詳細螺紋模型計算的結果基本保持一致。
來源：安世亞太
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結構連接中采用螺紋連接應用非常廣泛，通常我們在進行有限元分析時，會將螺栓簡化成光桿或者甚至是一根梁。但是對于一些關鍵的螺紋連接，當我們需要考慮螺紋處的應力分布時，往往需要將螺紋細節特征建立好，然后進行仿真。由于螺紋本身細節特征較多，為保證求解精度，網格會非常多，這將大大降低求解效率。
ANSYS 15.0之后的版本中，增加了虛擬螺紋功能。在進行螺紋模擬時，我們不用建立精細化的螺紋模型就可以得到螺紋處精確的應力分布，非常便捷。我們以某拉桿為例，介紹虛擬螺紋具體設置方法。
1. 拉桿結構如下圖所示，與外部螺母采用螺紋連接，建模時我們忽略螺紋特征，將螺紋處建成光面。
2. 選擇拉桿外表面為接觸面，螺孔內表面為目標面，接觸類型為不分離。
3. 在接觸屬性中，設置螺紋具體參數：如中徑、螺距、牙型角等。
4. 對模型進行網格劃分，需要注意的是，螺紋處網格需要細化，一般網格尺寸不超過1/4螺距。
5. 對模型進行加載并求解，可以查看到螺紋處的應力分布，如下圖所示。
6. 我們建立詳細的螺紋模型，進行求解。計算結果如下所示，可以看到虛擬螺紋模型與詳細螺紋模型計算的結果基本保持一致。
展開 35 Ansys Workbench工程應用之——結構非線性（下）：狀態非線性（5）螺紋連接
螺栓連接相關問題在計算前應清楚是否關心螺栓本身強度，如果不關心就可以使用無建模——連接——梁代替，以簡化計算。如果關心螺栓本身強度，應注意有預緊情況下，計算應力應該是總拉力F2的1.3倍除以危險截面面積，WB的結果中可以查看F2，但是無法直接求得計算應力，特別是在使用實體模型時，應剔除應力奇異點。
本期解讀了螺栓連接，非線性相關內容快寫完了，下期寫啥暫時還不知道，敬請期待。
由于圖惜實踐經驗實在有限，文中也難免紕漏百出，敬請批評指正。
參考文獻：
[1]《機械設計》——濮良貴、紀名剛
[2]《Ansys Workbench有限元分析實例詳解》——周炬、蘇金英
[3] ANSYS 2022幫助文件
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