螺紋連接仿真的案例
螺紋連接松動機理有限元仿真分析...
各種螺紋及緊固件的連接形式統稱為螺紋連接[1]， 因其拆卸方便、可互換性強、成本低、安全可靠等優 點，被廣泛應用于各類機械設備零部件之間的連接和 緊固。螺紋連接質量的好壞，對機械設備的整體性能 至關重要。松動是螺紋連接失效的主要形式之一，會 導致連接件之間的預緊力逐漸減小，從而產生異響、 泄露、疲勞斷裂等問題，引發重大事故[2-3]，因此開展螺 紋連接松動機理研究對工程實際具有十分重要的意義。
為了提高螺紋連接的防松性能，準確分析螺紋松 動的微觀過程，國內外學者通過有限元仿真技術進行了大量研究[4-7]。研究表明，在螺紋連接中，預緊力的 降低早于螺紋面間的相對滑移，后者帶來的損害遠大 于前者，因此研究螺栓松動過程中預緊力下降的變化 規律，是預防螺栓松動的可行方法[8-9]。同時，采用準 確的螺紋連接建立力學模型，選擇有螺旋結構的準確 模型，有助于達到最佳仿真效果。
本文建立了螺紋連接結構的精細有限元模型，采 用 Workbench 開展了螺紋松連接松動靜力學加載仿真 和瞬態動力學仿真，研究了螺紋連接松動的機理原因， 可以用于課堂演示及實驗教學，幫助學生直觀體驗螺 紋連接松動的過程，激發學生深入分析事物運行的潛 在規律，增強學生對所學知識的理解、掌握和綜合運 用能力。
1 螺紋連接有限元模型的構建
螺紋連接結構由三部分組成：螺栓、螺母和被連 接件。在實體建模時，螺栓頭部和無螺紋的螺桿形狀 規則，只有螺紋段形狀復雜。且螺栓頭部的六邊形結 構是為了方便施加扭矩以及預緊螺栓設計的，對螺栓 松動沒有影響，因此將螺栓頭部和螺母都簡化成圓柱 體。
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仿真分析簡化3
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。
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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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這部分內容在下一篇文章中更新
來源于：仿真求知之路
CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化2
，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-15.9%，-24.2%，+5.3%，因此對于該模型，單從變形結果精度排序是：Rbe3＞Bond＞Rbe2
范圍區別
綁定接觸是通過螺栓頭和被連接件的實際接觸面建立，連接范圍為螺栓頭部下端面，而rbe2和rbe3是通過節點耦合方式建立，因此連接范圍是人為可調的，如下所示：
由于不同連接范圍對應不同局部變形程度，只要找到最合適的連接范圍，就能從該參數上去修正不同連接方式產生的局部變形程度
為了使得結果更加具有規律性，這里以螺栓孔徑D作為基本值，分別計算rbe2和rbe3連接范圍為1.1D，1.2D，1.3D，1.4D，1.5D，1.6D下接觸面的變形結果：
Rbe2
Rbe3
將不同連接范圍結果的接觸面RMS值與標準RMS值進行繪制：
根據曲線結果，該尺寸模型大致可以估測：rbe2連接方式，耦合范圍約為1.2D~1.25D時局部剛度比較準確；rbe3連接方式，耦合范圍約為1.6D~1.7D時局部剛度比較準確
當然上述初步結論僅僅是基于文中所述模型，還需要進行多輪模型對比才能得到更具有普遍性的規律（并且還未考慮墊圈作用），這里暫不深究
來源于： 仿真求知之路 作者：聰聰
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螺紋保證載荷計算/螺紋軸向連接強度計算（根據ISO/TR 16224-2012和VDI 2230）
案例56-螺紋連接分析
• 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。
• 第3步：繼續分析彎曲載荷下的三維螺紋連接模型。
第一步中的幾何結構和載荷是軸對稱的，因此分析從二維軸對稱模型開始，以求解內部壓力和拉伸載荷。使用2-D到3-D分析，將2-D變形網格擠出成新的3-D網格，并將解結果映射到3-D模型。然后繼續對三維模型進行分析，在三維模型上施加非軸對稱（彎曲）載荷。
展開 螺紋連接強度計算
兩種特殊的方法使用
1 shrink——自動解決兩個接觸表面的過盈干涉
——只在第一步分析步中可以設置，而且不能用于自接觸
2 pressure——有效解決壓力穿透問題
——先設置壓力穿透接觸，在達到100Pa壓強時停止穿透量的增加
分析步的設置
1 消除初始過盈，建立接觸
要點——分析步給多，讓接觸逐步建立起來
——接觸的設置過程中，將“interference fit”進行調整
2 改變接觸表面的摩擦系數（由0到0.1）
要點——更改接觸屬性，建立摩擦
3 加入壓力穿透條件，限制變形量
要點——對接觸屬性進行進一步加強
——加入管道壓力pressure
——pressure的值與fluid pressure一致
4 對管道連接進行強制拉伸
要點——修改位移邊界條件
最后的接觸力變化結果如下
小結
1 螺紋連接被廣泛的應用在管道連接等工業上，它們必須要能夠承受像大范圍的力值變化等各種情況：螺紋嚙合力、扭矩、彎矩、軸向抽出力、內部壓力、過載條件、流體泄露等；
2 考慮問題的時候要全面，除了螺栓預緊力之外，初始的過盈、逐步接觸時的壓力穿透、內外的強制壓力，軸向的拉拔力等都要考慮在內；
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這樣也很好理解，為什么連業界標桿VDI2230中對于承受較大彎曲載荷的螺栓連接（偏心拉伸）也建議使用有限元方法或者試驗進行分析。
至此，關于螺栓分析中個人想描述的一些典型現象已經結束，至于這些現象怎么折射到具體的分析校核及有限元模型處理上，在后面的文章中再慢慢和大家探討。
來源于：仿真求知之路 作者： 聰聰
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
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。
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螺紋連接強度計算快速入門
一：螺紋連接的類別
01 螺栓連接；螺柱連接；螺釘連接。
二：螺紋連接強度計算
01 工況類別
02 抗剪
03 抗扭
04 抗拉
05 抗彎（抗翻轉）
06 單個鉸制孔螺栓強度校核（橫向荷載）
07 單個普通螺栓強度校核
塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（下）
三、金屬螺紋嵌件
如果您需要制造具有更牢固連接和可重復使用螺紋的塑料部件，金屬螺紋嵌件是您的
最佳選擇。
前兩篇主要介紹的是自攻螺絲柱的相關內容，機牙螺絲柱的結構由于大部分跟自攻螺絲柱結構類似，在這里我就不重復介紹了，區別的地方主要是金屬螺紋嵌件預埋，其相對應的螺絲柱結構有些變化。
塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（中）
接上篇：塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（上）
塑膠件螺紋連接結構的設計原則：
連接強度原則；
成型性原則；
一、連接強度原則
在上篇中提到，由于檢查緊固力的方法很復雜，我們通常通過扭矩值來確認施力情況，也就是說，緊固力的大小可以通過扭矩值來表征，如果擰緊扭矩越大，相對于的緊固力就越大,，連接強度就越大。
由公式：擰緊扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)可知，如果需要增大擰緊扭矩Tα，可以通過增大攻牙扭矩Tr和滑牙扭矩Tf來實現。
增大攻牙扭矩Tr
，這會導致前期攻牙階段的安裝扭矩變大，前期顯得很吃力，同時導致擰緊扭矩T
α
的范圍太窄，容易造成滑牙，這不是我們想要的結果。
增大滑牙扭矩Tf
，也就是增大了滑牙扭矩T
f
和攻牙扭矩T
r
之間的差值(T
f
-T
r
)，這樣的結果是擰緊扭矩T
α
增大了，同時使得擰緊扭矩Tα在一個較大的容差范圍內。
那么，如何增大滑牙扭矩Tf呢？
滑牙緊固力公式：
滑牙扭矩公式：
由以上公式可知，增大以下因素：σt（塑膠材料的拉伸屈服應力）；Dp（螺絲中徑）；L（螺紋旋合深度）；f1（螺紋與塑膠之間的摩擦系數）；f2（螺絲頭底部與塑膠之間的摩擦系數）；p（螺絲的螺距）；都可以增大滑牙扭矩Tf。
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：工程校核考慮
如果橫向剪切力使得被連接件發生較大滑移，但是是一次性的，那么由于滑移作用的產生會直接導致螺栓產生大的彎曲變形，此時預緊力會部分或者全部衰減，螺栓主要受力為剪切力Q
按照《螺紋緊固件聯接工程》，對于單次切向過載需要滿足：
螺栓剪切應力＜材料剪切強度（不發生剪切斷裂）
軸向+切向受載狀態
按照上述分析內容，如果螺栓同時受到軸向和切向荷載的作用：
由于在被連接件未滑移之前，切向載荷都被連接截面的摩擦力抵消掉，因此螺栓的應力校核與未受切向載荷時候相同。
但是，由于軸向載荷會使得夾緊力減小為FC，因此需要通過剩余預緊力得到的界面摩擦力來計算需要提供的螺栓預緊力。
來源于：仿真求知之路 作者：聰聰
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