材料連接工程的案例
上海工程技術大學《JMPT》長篇綜述：鋁/鋼異質材料激光連接技術！
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CAE工程分析 | 螺紋連接：工程校核考慮
按照《螺紋緊固件聯接工程》，對于施加預緊的螺栓需要滿足：
螺栓光桿表面應力＜材料屈服強度（不發生塑性變形）
軸向受載狀態
現在假設螺栓受到大小為P的軸向載荷（被連接件未發生分離），結合之前的文章，
外載實際是同時由螺栓和被連接件共同分擔，如圖所示：
其中Φ為內力系數=KB/(KB+KC)，表示螺栓剛度占螺栓連接體系剛度的比率；FB表示螺栓軸力；FC表示被連接件夾緊力。
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是激光材料加工技術應用的重要方面之一。一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉換機制是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。孔腔內平衡溫度達2500 0C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定狀態。熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。
硬焊 （brazing）是一種焊接方式，將熔點低于欲連接工件之熔填料(釬料)加熱至高于熔點，使之具有足夠的流動性，利用毛細作用充分填充于兩工件間(稱為浸潤)，并待其凝固后將二者接合起來的一種接合法，傳統上在美國溫度高于800 ° F（427 ° C）者稱為硬焊（硬釬焊），反之稱為軟焊（軟釬焊）。
手工焊 是手持焊炬、焊q或焊鉗進行操作的焊接方法。
電阻焊 （resistance welding），是一種以加熱方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術，是工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法。
摩擦焊 是以機械能為能源的固相焊接。利用工件端面相互摩擦產生的熱量使之達到塑性狀態，然后頂鍛完成焊接的方法。
電渣焊 是利用電流通過熔渣所產生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，凝固后形成金屬原子間牢固連接。
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CAE工程分析 | 螺紋連接：從現象出發1
01、前言
關于裝配體中各種連接關系的建模及分析早有規劃進行探討，但是每每準備總結之時，總會發現由于個人知識的匱乏和經驗的不足難以形成體系。
但考慮到總結本身也是一個循序漸進的過程，因此還是準備就裝配體分析中各種連接關系的建模以及分析方法進行一個現階段的探討。
文章系列內容預期會按照螺紋，點焊，焊縫，膠粘的順序進行，主要涉及關鍵現象，工程校核方法，CAE建模方法以及后處理方法。
本文就螺栓連接系統中一些關鍵現象進行說明，目的是為了根據這些現象為后續分析校核提供一定的理論支撐。
文中內容主要為個人觀點，希望大家批評指正。
02、塑性流動
大家熟知的第三/第四強度理論準則告訴我們：當結構以某種方式（剪切/畸變能）評估出來的等效應力≥材料的屈服極限時，材料會發生屈服失效。通常強度校核時我們也常常使用該準則來判斷結構的安全系數。
但是需要注意的是，材料發生局部屈服并不意味著結構發生破壞。對于很多結構，如果按照局部屈服就判斷結構失效，那么會保留過高的實際安全系數，以至于結構異常笨重，螺栓連接系統就是典型的例子。
如圖所示，螺栓在受到預緊力以及拉伸載荷作用下時，結構內部處于拉應力狀態，但是由于螺栓本身存在許多細節特征，因此會在螺栓頭部，螺紋過渡處，螺紋根部處存在較大的應力集中：
特別是螺紋嚙合處應力集中系數可能高達5~10倍，這樣顯然會讓大家疑惑：螺栓預緊力建議達到70%~90%斷面材料屈服，那么這些集中處不是早就發生屈服失效了么？
展開 焊接、螺栓連接等典型接觸問題在復雜裝配體 仿真分析工程應用
一、課程安排
培訓目標：通接觸分析基本理論；接觸分析前處理技巧與分析流程；
接觸實參數設置原理與方法；接觸分析計算收斂性調整方法；典型工程應用，包括螺栓連接結構、焊接結構、膠結結構以及鉸接結構；接觸問題高級衍生應用，包括摩擦生熱、磨損以及接觸密封等內容。本課程從理論出發，學員可掌握各操作設置的物理意義，從而對計算結果的適用性做出評估，
通過案例詳解，掌握仿真關鍵與技巧
。
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 CAE工程分析 | 螺紋連接：從現象出發2
前文中所說被連接件中形成的空心錐實際就是一個簡化的剛度計算模型，這樣螺栓和被連接件形成了一個并聯體系，共同去承擔外載：
如果將這種連接體系繪制成剛度曲線來表述，就會得到螺栓分析中最為重要的系統形變圖：
通過系統形變圖可以看出，當我們施加外載時，載荷是按照被連接件剛度和螺栓剛度進行比例分配的，并且一般被連接件等效剛度＞螺栓剛度，因此至少一半以上的內力被分走造成了上述現象。
對于問題②，當被連接件還被壓緊的時候就一直能分擔外載，一旦被連接件完全分離，這個外載荷就完全作用在螺栓上，形變圖就變成這樣：
而這個快慢變化的分界載荷就是使得被連接件完全分離時對應的外載。
對于問題③，至少現在知道一點：被連接件是否分離是螺栓校核準則的分界點。至于具體怎么使用，這個部分內容在后面文章進行說明。
當然，上述模型仍舊是一個偏于理想化的載荷模型，實際就算是純軸向力作用，仍然會由于軸向力作用位置的不同導致被連接件剛度發生變化，本文暫時不做詳細說明。
▍03 切向載荷作用
除了軸向載荷作用外，螺栓通常還用于承受較大切向載荷的工況中。為了了解切向載荷作用下螺栓內應力的變化情況，同樣構造一個以承受切向載荷為主的螺栓連接模型：
首先，施加預緊力。同樣，施加7854N預緊力載荷，使得螺栓平均應力在100MPa左右。
之后，鎖定預緊位移，施加一定大小的橫向力載荷。由于設置被連接件之間摩擦系數為0.2，因此理論上使得被連接件發生分離的最小橫向力為1571N（主要考慮被連接件之間提供的摩擦力），本文施加1000N橫向載荷（由于剪切滑動后被連接件會出現松動現象，因此該模型不適合施加過大橫向載荷）。
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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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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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很多人看到全鋁車身，會直觀的感覺車身全是由鋁合金為材料制造的，其實不然，只是鋁合金在白車身應用具備較大的比例，目前有很多車型在材料上應用了鋁合金，因其帶來輕量化、燃油經濟性、操控性的優勢。
今天，螺絲君，通過材料、結構、連接工藝對愛馳U5、凱迪拉克CT6、特斯拉Model-S、蔚來ES8、捷豹路虎XFL，進行對比解析。
下圖，為以上5款車型材的尺寸及重量和鋁合金比例的參數表
01
材 料
1、愛馳U5
愛馳U5下鋁上鋼是其設計的一大特點，其中愛馳U5全車共采用了21個熱成形零件。
A柱、B柱以及車頂縱梁均采用了1500MPa熱成形鋼，車門防撞梁更是創新地采用了2000MPa熱成形鋼，（熱成型鋼采用硼鋼）
愛馳U5材料分布圖
2、凱迪拉克CT6
在AB柱骨架、車門防撞梁、車身地板縱梁等部位都采用了高強鋼來提升車身強度，在防撞梁、前縱梁、前輪罩、后輪罩、車身橫梁等都采用了鋁合金材料來達到減重，CT6機艙基本由鋁合金組成，縱梁及前防撞梁都是鋁合金材質。
3、捷豹路虎XFL
捷豹路虎在全新捷豹XFL車身上共使用了多達五種不同型號的鋁合金材質，如AC170、AC300、AC600、RC5754和5182。
展開 
ABAQUS應用于設計院實際工程-鋼結構懸挑托架焊縫連接模擬-強度仿真
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動圖學習材料連接工藝
是激光材料加工技術應用的重要方面之一。一般采用連續激光光束完成材料的連接，其冶金物理過程與電子束焊接極為相似，即能量轉換機制是通過“小孔”（Key-hole）結構來完成的。孔腔內平衡溫度達2500 0C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，光束不斷進入小孔，小孔外的材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定狀態。熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。
硬焊 （brazing）是一種焊接方式，將熔點低于欲連接工件之熔填料(釬料)加熱至高于熔點，使之具有足夠的流動性，利用毛細作用充分填充于兩工件間(稱為浸潤)，并待其凝固后將二者接合起來的一種接合法，傳統上在美國溫度高于800 ° F（427 ° C）者稱為硬焊（硬釬焊），反之稱為軟焊（軟釬焊）。
手工焊是手持焊炬、焊槍或焊鉗進行操作的焊接方法。
電阻焊（resistance welding），是一種以加熱方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術，是工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法。
摩擦焊是以機械能為能源的固相焊接。利用工件端面相互摩擦產生的熱量使之達到塑性狀態，然后頂鍛完成焊接的方法。
電渣焊是利用電流通過熔渣所產生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，凝固后形成金屬原子間牢固連接。在開始焊接時，使焊絲與起焊槽短路起弧，不斷加入少量固體焊劑，利用電弧的熱量使之熔化，形成液態熔渣，待熔渣達到一定深度時，增加焊絲的送進速度，并降低電壓，使焊絲插入渣池，電弧熄滅，從而轉入電渣焊焊接過程。電渣焊主要有熔嘴電渣焊、非熔嘴電渣焊、絲極電渣焊、板極電渣焊等。
展開 連接器常用材料性能介紹（特別收藏篇）
接觸件材料選用
接觸件可用幾種合金中的任何一種材料制成，具體選擇則要根據接觸件的類型，插拔的頻度以及連接器所工作的電氣條件和環境條件而定。常用的一些材料及其應用場合如下：
黃銅──黃銅雖是一種導電性能良好的材料，但在多次重復彎曲后容易變形和迅速疲勞。它通常在廉價的連接器中作固定式接觸件，或在連接器內作其它金屬零件。在要求優良彈性的場合不應使用帶有黃銅接觸件的連接器。當然由于成本低，黃銅仍能在許多地方勝任地作為接觸件而使用。
磷青銅──磷青銅的硬度高于黃銅，同時能保持較長期的彈性。它常作為工作溫度低于300?F的接觸件的材料。對于大多數插拔頻度較低，或接觸件處于正常彎曲的連接器而言，使用磷青銅可保證良好的可靠性。
鈹青銅──鈹青銅具有的機械性能遠較黃銅或磷青銅隹。鈹青銅零件在退火后就能定形和硬化，實際上能永久保持其形狀，它也是最能抗機械疲勞的材料。在插拔頻繁和要求高可靠的應用場合，建議采用鈹青銅材料。
(4.)銅片局部電鍍．
接合體之表面加工（電鍍）：接合體之表面為了防止腐蝕氧化，使接觸面平滑化及原材料之機械性保證一般都施以電鍍加工處理，各種電鍍的特性.
ａ.鍍金厚30μ″，鍍金區Ni測厚50~80μ″。
ｂ.鍍金厚3μ″，鍍金區Ni測厚30~50μ″。
ｃ.其它：
尺寸：依訂單料號尺寸驗收.
外觀： a.未電鍍面：無油污，料帶平整，不可變形，彎曲或伸張。
b.電鍍面：光澤平滑，粒子細微，無污染變形。
c.烘烤：冷凍--55±3℃*30′室溫10′~15′→105±2℃*30′→室溫10′~15。
d.抗熱：85±2℃*2hr。
2.銅片鍍錫
ａ.鹽霧測試依雙方協定。
ｂ.烘烤測試如（一.3項）且沾錫達90%以下。
ｃ.直接沾錫占90%以上。
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
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Ansys Workbench工程應用之——結構非線性（下）：狀態非線性（5）螺紋連接
螺紋連接在工程中被廣泛應用，特別是普通三角螺紋，被應用在各種緊固標準件上。本文所說的螺栓包括了螺釘、螺桿等。
1 螺紋的工程應用基礎
1.1 螺紋主要參數
以圓柱普通外螺紋為例說明螺紋的主要參數。
（1）大徑d——即螺紋的公稱尺寸，比如M8的螺釘，d=8mm。
（2）螺距P——螺紋相鄰兩圈的軸向距離，比如M8×1.25的螺釘，P=1.25mm。
（3）小徑d1——螺紋的最小直徑，在強度計算中作為螺桿危險截面的計算直徑。d1=d-1.0825P，比如M8×1.25的螺釘d1=8-1.0825*1.25≈6.65mm。
（4）中徑d2——確定螺紋幾何參數和配合性質的尺寸。D2=d-0.6495P≈0.9d，比如M8×1.25的螺釘d2=8-0.6495*1.25≈7.2mm。
（5）螺紋升角Φ——在中徑圓柱上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角，普通單線螺紋Φ=aectan（P/πd2）。下圖為普通粗牙螺紋的升角，細牙螺紋升角比粗牙螺紋稍小。
（6）接觸高度h——內、外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度，h≈0.54P。
注意：螺栓往往有全螺紋和非全螺紋之分，非全螺紋的光桿尺寸為中徑或大徑尺寸，也有部分螺栓光桿的ds＜d1，比如不脫出螺釘，此時強度與預緊力應按更小的ds校核計算。
1.2 螺栓的材料與許用應力1.2.1 材料與性能等級
國家標準規定螺紋連接件按材料的力學性能劃分等級。螺栓、螺柱、螺釘的性能等級分為9級，自4.6至12.9。
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