螺栓連接強度分析的案例
不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元分析
（注：本帖數值模擬部分均為原創，接觸分析一直是模擬能否計算準確的關鍵，很難收斂，在此希望本帖能對研究接觸分析的有所幫助，從中有所收獲，希望大家能夠為該帖多多支持，為該帖投上一票，不勝感激！）
1. 引言
本文目的是通過對不銹鋼梁柱高強螺栓摩擦型連接節點進行精細化有限元分析，以確定該節點破壞機制、延性以及抗震性能。為此，本文對單調和循環荷載下不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點進行真實精細化數值模擬，并與試驗結果對比來驗證數值模型的準確性，在此基礎上分析不銹鋼材料非線性、梁翼緣厚度、不銹鋼高強螺栓預緊力和不銹鋼抗滑移系數對該節點破壞機制、承載力、延性以及抗震性能的影響，為合理設計不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點提供依據。
2. 不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元模型建立
如表1所示，節點中柱尺寸均為450×250×16×12，有效長度為2.3m，梁尺寸有400×150×12×8（JW-1、JC-1和JC-3）和400×150×14×8（JC-2），有效長度為1.65m，其它尺寸見圖1。節點所用不銹鋼以及不銹鋼螺栓和不銹鋼鉚釘的真實應力應變曲線通過試驗得到的名義應力應變關系得到，其主要材料參數見表2和3，泊松比均為0.3，鋼材本構在單調加載和循環加載下分別采用等向強化模型和雙線性隨動強化模型，屈服準則采用Von Mises準則。柱端施加500kN軸力，其軸壓比為0.13，柱腳固定約束。梁端平面外約束，梁端單調位移加載（JW-1）或循環位移加載（JC-1、JC-2和JC-3），循環加載方式見圖2。不銹鋼的抗滑移系數設定為0.4，不銹鋼高強螺栓預緊力為170kN，不銹鋼環槽鉚釘預緊力為205.6kN，不考慮焊縫的影響。
展開 提高螺栓連接強度幾點措施
制造工藝對螺栓的疲勞強度有很大影響。對于高強度鋼制螺栓，更為顯著。采用輾制螺紋時，由于冷作硬化的作用，表層有殘余壓應力，金屬流線合理，螺栓疲勞強度比車削的高。碳氮共滲、氮化、噴丸處理都能提高螺栓疲勞強度。
影響螺栓強度的因素很多，有材料、結構、尺寸參數、制造和裝配工藝等等。如何來提高螺栓強度呢。
01
改善螺紋牙間的載荷分布
改善螺紋牙間的載荷分布
采用普通螺母時，軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，如圖1(a)所示，從螺母支承面算起，第一圈受載最大，以后各圈遞減。
理論分析和試驗證明，旋合圈數越多，載荷分布不均的程度也越顯著，到第 8～10 圈以后，螺紋幾乎不受載荷。
所以，采用圈數多的厚螺母，并不能提高聯接強度。若采用圖1(b) 的懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與栓桿的螺矩變化差，從而使載荷分布比較均勻。圖 1(c)為環槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖1
02
避免或減小附加應力
由于設計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應力（圖 2）， 這對螺栓疲勞強度的影響很大，應設法避免。
例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時，常采用凸臺或沉頭座等結構，經切削加工后可獲得平整的支承面（圖 3）。
圖2
圖3
03
減小應力集中
螺紋的牙根、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應力集中，是產生斷裂的危險部位。其中螺紋牙根的應力集中對螺栓的疲勞強度影響很大。
展開 如何提高螺栓連接的強度？
大多數情況下，受拉螺栓聯接的強度決定于螺栓的強度。影響螺栓強度的因素很多，有材料、結構、尺寸參數、制造和裝配工藝等等。
小編下面介紹一些提高螺栓強度的措施。
01
改善螺紋牙間的載荷分布
采用普通螺母時，軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，如圖1(a)所示，從螺母支承面算起，第一圈受載最大，以后各圈遞減。
理論分析和試驗證明，旋合圈數越多，載荷分布不均的程度也越顯著，到第 8～10 圈以后，螺紋幾乎不受載荷。
所以，采用圈數多的厚螺母，并不能提高聯接強度。若采用圖1(b) 的懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與栓桿的螺矩變化差，從而使載荷分布比較均勻。圖 1(c)為環槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖1
02
避免或減小附加應力
由于設計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應力（圖 2）， 這對螺栓疲勞強度的影響很大，應設法避免。
例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時，常采用凸臺或沉頭座等結構，經切削加工后可獲得平整的支承面（圖 3）。
展開 螺栓連接強度校核
01 螺紋連接分為：螺栓連接，螺柱連接，螺釘連接
02 螺栓組的布置原則
03 螺栓組的工況
橫向力
軸向力
扭矩
彎矩
04 螺桿直徑，螺距，螺桿應力截面積，螺桿最小拉力載荷，螺桿保證載荷
05 螺母的保證載荷
06 普通螺栓的強度校核
07 預緊螺栓的強度校核
08 鉸制孔螺栓的強度校核
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基于多螺栓組合連接的預緊力支架強度仿真 ￥20
[圖片]
螺栓連接的法蘭連接的軸對稱分析
由于截圖篇幅有限，需要翻譯的可以聯系我，制作不容易。
高強度螺栓一定比普通螺栓強度高？
盡管承壓型在設計數值上占有優勢，但由于其屬于剪壓破壞型式，螺栓孔為類似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷載作用時的變形遠大于摩擦型，所以高強度螺栓承壓型主要用于非抗震構件連接、非承受動荷載構件連接、非反復作用構件連接。
這兩種型式的正常使用極限狀態也是有區別的：
摩擦型連接是指在荷載基本組合作用下連接摩擦面發生相對滑移；
承壓型連接是指在荷載標準組合作用下連接件之間發生相對滑移；
普通螺栓
1. 普通螺栓分A、B、C三種。前兩種是精制螺栓，較少用。一般說的普通螺栓，均指C級普通螺栓。
2. 在一些臨時連接及需拆卸的連接中，常用到C級普通螺栓。建筑結構常用的普通螺栓有M16、M20、M24。某些機械工業粗制螺栓直徑可能比較大，用途特殊。
高強度螺栓
3.高強度螺栓的材料與普通螺栓不同。高強度螺栓一般用于永久連接。常用的有M16~M30。超大規格的高強度螺栓性能不穩定，應慎重使用。
4.建筑結構的主構件的螺栓連接，一般均采用高強度螺栓連接。
5.工廠出廠的高強度螺栓并不分承壓型還是摩擦型。
6. 究竟是摩擦型高強度螺栓或者是承壓型高強度螺栓？實際上是設計計算方法上有區別：
（1） 摩擦型高強度螺栓以板層間出現滑動作為承載能力極限狀態。
（2）承壓型高強度螺栓以板層間出現滑動作為正常使用極限狀態，而以連接破壞作為承載能力極限狀態。
7.摩擦型高強度螺栓并不能充分發揮螺栓的潛能。在實際應用中，對十分重要的結構或承受動力荷載的結構，尤其是荷載引起反向應力時，應該用摩擦型高強度螺拴，此時可把未發揮的螺栓潛能作為安全儲備。除此以外的地方應采用承壓型高強度螺栓連接以降低造價。
展開 Abaqus利用梁單元模擬螺栓連接 附基于ABAQUS對螺栓斷裂問題仿真分析下載
來源：仿真學習與應用
螺栓連接是結構連接的一種主要方式，在CAE分析中經常遇到，針對不同的情況，通常我們會采取不同的方法來處理。螺栓的模擬在Abaqus也有幾種不同的處理方式。
（1）建立三維實體的螺栓模型，包括螺紋結構；
（2）建立三維實體的螺栓模型，忽略螺紋結構；
（3）建立三維實體的螺栓模型，由Abaqus自帶的螺紋接觸定義方式設置螺紋接觸；
（4）利用梁單元或者桿單元模擬螺栓。
本次以梁單元模擬螺栓為例，簡單闡述其應用。利用梁單元模擬螺栓與實體螺栓相比優勢比較明顯，模型簡單、接觸定義簡單、收斂容易，同時梁單元也能有效反應螺栓的受力情況，在很多情況下比較適用。
螺栓的模擬通常需要考慮預緊力的作用，利用CAE方法模擬螺栓預緊力的過程主要由三個載荷步完成，下面的例子會涉及。
建立如下所示的模型，三個部件，兩塊板和一根梁，其中梁是一個3D wire，建立一條線即可。
圖1
材料屬性定義的時候，梁單元需要指定梁截面，如下圖所示。
圖2
梁的截面形狀可以根據需要指定，本次為圓形截面，半徑為10，如下圖所示。
圖3
同時，梁單元還需要指定方向，通過菜單欄Assign-Beam Section Orientation，給出其中的n1向量，這里注意，梁的軸向是由向量t表示的，n1和n2兩個向量決定梁截面，其中t向量和n1、n2兩個向量決定的平面垂直。
本次定義n1向量為0,0,-1，最終梁的方向定義完成如下所示。
圖4
之后利用Interaction模塊下面的Constraint將梁與相關位置建立MPC連接，如下所示。
圖5
梁單元的兩端節點分別與螺栓螺帽位置處的節點進行MPC連接，連接形式可以由多種，這里選擇Beam連接。
展開 【專業知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預緊螺栓，這些你知道嗎？
承壓型高強度螺栓傳力特性是保證在正常使用情況下，剪力不超過摩擦力，與摩擦型高強度螺栓相同。當荷載再增大時，連接板間將發生相對滑移，連接依靠螺桿抗剪和孔壁承壓來傳力，與普通螺栓相同，所以螺桿與螺孔之差略小些，為1.0～1.5mm。
普通螺栓和高強度螺栓由于其設計的受力原理不同，其在施工檢驗方法上有極大的區別。
同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高，但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。
標識樣式對比
普通螺栓和高強度螺栓的標示是對同等級螺栓現場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強度螺栓扭矩值計算的取值并不相同，所以識別兩種標準的螺栓也有必要。（我們推薦你關注“機械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業信息）
價格對比
高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）
普通螺栓：（M24，L60，8.8級）
可見普通螺栓大約為高強度螺栓價格的70%，結合其驗收要求的對比，可以得出，其溢價部分就應該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。
05螺栓緊固方法
普通螺栓的緊固程度并無明確規定，鎖緊時所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時未施加拉力，因此容易出現螺帽松弛脫落現象，為防止松脫的方法可用彈簧墊圈或采用雙螺帽的方法由外螺帽將內螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉而松弛。
展開 ABAQUS 螺栓連接非線性分析案例 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、與螺栓預緊相關的工程師
你會得到什么：
1、掌握三維模型的繪制
2、掌握靜力學分析相關的材料參數設置
3、理解螺栓連接的分析步的建立
4、學習螺栓連接接觸分析的相互關系的設置
5、了解靜力學網格的劃分
6、學習結果后處理的查看與對比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
案例介紹了使用ABAQUS進行螺栓連接的分析。
本案例操提供了分析相關的文檔和分析文件。
展開 不同螺栓預緊力下數控轉臺臺面振動分析
鑒于實體螺栓模型最符合實際，本文采用實體螺栓模型對轉臺與主機間的螺栓連接建模，由于螺栓螺紋處應力應變不是考察重點，采用不帶螺紋的實體螺栓連接模型，并將螺桿與螺母進行綁定以模擬其連接。
建立模型后，需設置材料參數及接觸、劃分網格等，其材料參數如表1所示。由于六面體網格單元計算精度高，且相同單元大小時，劃分的單元數量比四面體網格單元數量少，故采用八節點六面體單元C3D8為模型劃分網格。為了節省計算時間，對螺栓接觸區域網格細化（即壓塊、螺栓、螺母及轉臺底座接觸區域網格細化），圖1(b)為劃分的整體網格圖。設置螺栓與壓塊、壓塊與轉臺底座、壓塊與床身及轉臺底座與床身的接觸，摩擦系數取0.12，設置邊界條件為床身底面完全固定。
查閱六角頭螺栓強度等級、預緊力及預緊力矩對照表，等級為3.6級的M16螺栓最大扭矩可達到69.63Nm，等級為8.8級的M16螺栓最大扭矩可達210.84Nm，為方便計算，設定預緊力矩為3.2Nm、32Nm及64Nm。在ABAQUS軟件中，由于預緊力矩無法直接添加，故通過施加螺栓載荷來加載預緊力，圖2為螺栓預緊力的加載位置，四個螺栓施加相同大小的預緊力。
2 預緊力下轉臺與主機螺栓連接強度分析
2.1 緊螺栓連接強度計算
根據機械設計手冊[8]，受預緊力作用的螺栓連接，其危險界面的拉伸強度可根據下式計算：
其強度計算結果如表2所示。
2.2 靜應力結果分析
螺栓連接的最大應力由理論分析可快速計算得到，但螺栓連接中具體受力狀況難以獲得。采用ABAQUS來分析預緊力作用下的數控轉臺與主機螺栓強度。在不同預緊力下最大應力結果如表2所示，為節省篇幅，只給出了圖3所示的螺栓載荷設定20kN時的仿真結果。
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2、理工科院校學生
3、與螺栓預緊相關的工程師
你會得到什么：
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2、掌握靜力學分析相關的材料參數設置
3、理解螺栓連接的分析步的建立
4、學習螺栓連接接觸分析的相互關系的設置
5、了解靜力學網格的劃分
6、學習螺栓預緊載荷的施加
7、學習結果后處理的查看與對比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
案例介紹了使用ABAQUS進行螺栓連接的分析。
本案例操提供了分析相關的分析文件。
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展開 【專業知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預緊螺栓，這些你知道嗎？
當荷載再增大時，連接板間將發生相對滑移，連接依靠螺桿抗剪和孔壁承壓來傳力，與普通螺栓相同，所以螺桿與螺孔之差略小些，為1.0～1.5mm。
普通螺栓和高強度螺栓由于其設計的受力原理不同，其在施工檢驗方法上有極大的區別。
同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高，但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。
標識樣式對比
普通螺栓和高強度螺栓的標示是對同等級螺栓現場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強度螺栓扭矩值計算的取值并不相同，所以識別兩種標準的螺栓也有必要。
價格對比
高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）
普通螺栓：（M24，L60，8.8級）
可見普通螺栓大約為高強度螺栓價格的70%，結合其驗收要求的對比，可以得出，其溢價部分就應該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。
05
螺栓緊固方法
普通螺栓的緊固程度并無明確規定，鎖緊時所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時未施加拉力，因此容易出現螺帽松弛脫落現象，為防止松脫的方法可用彈簧墊圈或采用雙螺帽的方法由外螺帽將內螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉而松弛。
采用雙螺帽時內螺帽需使用重型六角螺帽，外螺帽可采用一般螺帽（見圖九），一般高強度螺栓不論承載型的或者擦阻型因預緊后存在張力，此預緊力引致接觸面正應力可產生抗扭轉摩擦阻力，因而可使螺帽產生不松脫現象，所以不必附加防脫裝置。
展開 高強度螺栓的斷裂分析
高強度螺栓的斷裂分析
多種螺栓連接模型的有限元分析與研究
模態分析結果：
（3）結果數據對比分析
對比5種螺栓連接約束模型的分析結果（上表所示），其余4種簡化模型分析結果相對于3D螺栓結果的偏差率大多數在1%左右，可認為精度在3%內；
One KCoup類型和KCoup+Beam+ KCoup類型計算結果一樣；
KCoup+B31+ KCoup中，B31單元保留了螺栓的剛度和質量，結果更接近3D螺栓模型；
KCoup+ B31+ KCoup+預緊力中，B31單元加載了預緊力，剛度相對無預緊力的大，所以分析結果的頻率相對無預緊力的大。
三、結論
綜合5種螺栓連接約束模型的分析結果，有如下結論：
1) 如果模型中螺栓/釘連接處較多，且螺栓/釘相對模型尺寸比較小（M2左右），采用One KCoup類型；
2) 如果模型中螺栓/釘連接處較少，且螺栓/釘相對模型尺寸比較大，螺栓質量在動力性分析中不可忽略時，則采用KCoup+B31+ KCoup類型；
3) 如果模型中螺栓/釘連接處較多，且螺栓/釘質量不可忽略時，則可調整模型零部件的密度，彌補螺栓質量損失，同時采用One KCoup或KCoup+Beam+ KCoup類型創建連接；
4) 在模擬單個或幾個螺栓/釘的連接情況，且需要關注螺栓連接細節時，則采用3D螺栓+預緊力類型。
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