【有限元分析】螺栓连接的几种分析方法

螺栓联接是机械设计及工程问题中常见的紧固连接方式。通常，联接螺栓的强度设计与校核中，根据螺栓受到的外载，计算螺栓预紧力，再根据不同的工况下的计算公式进行强度计算，如静载荷与动载荷的分析计算。因此，有限元分析方法通过螺栓联接的整体装配模型，获得螺栓外载，再通过手工计算进行螺栓设计。

然而螺栓联接的行为是相当复杂的。对于典型的螺栓联接，受制于各种因素的影响，无论从初始预紧到最后的螺栓变化载荷，必须考虑的参数组合相当令人困惑，尤其是还要考虑螺栓联接失效。因此准确地构造螺栓联接的特征就更为重要。

基于不同的螺栓联接设计需求，有限元分析中对分析模型的处理方式也不同。下面给出分析模型中螺栓联接建模的几种方式：

1.螺栓不参与建模，零件之间的连接使用绑定接触，无螺栓预紧力；这种无螺栓、绑定接触对于螺栓联接组件的建模而言是最简单的一种方法。其简化方式可以在连接组件的接触面定义绑定接触，该方法求解最快，但这种简化方式，由于绑定整个组件的连接面会使结构过于刚性，且无法得到每个螺栓的载荷。如果需要得到螺栓反力，也可以采用更详细的分析，即对每个垫片直径作用范围内的接触面定义绑定接触，这样独立的接触面上可以得到螺栓反力，但不能直接得到力矩（需要用APDL命令）。

2.在模型中直接创建梁连接。不创建梁模型，而是直接创建梁连接中是直接定义梁单元到零件边或面，网格划分使用的是一个梁单元，横截面必须为圆截面，不能直接应用螺栓预紧力（需补APDL命令）。梁单元连接到对应于垫片直径的作用面更符合实际，梁单元传递的力分布在垫片表面，可以得到梁单元上的作用力和力矩用于后续手工计算螺栓范围。这种连接方法是航空航天工业中常用的方法，螺栓承担所有的载荷，通常更保守，后续计算确定螺栓是否失效。

3.在模型中使用线体。在DM中创建线体，定义梁的横截面参数，导入结构分析，线体通常用固定关节将梁单元连接到零件边或面，线体可划分为多个梁单元，任意横截面在DM中指定，可直接施加螺栓预紧力。这种处理方法是压力容器管道法兰校核中常用的方法。

4.螺栓为实体模型，无螺纹，考虑预紧力；如果考虑更多的螺栓连接的详细特征，如零件、螺栓、垫片、螺母之间的接触行为，则可用实体单元建模。简单的处理方式可采用绑定接触，复杂的处理方式采用摩擦建模。出于计算成本考虑，实际建模中并不包含螺纹。

5.螺栓为实体模型，有螺纹，考虑预紧力；螺栓螺纹接触的几何修正是WB的新功能之一，该特征将螺栓集中力处理为螺栓连接面上的分布力，更接近于螺栓应力分布的真实状态。

参考文献：
许京荆 《ANSYS Workbench工程实例详解》. 人民邮电出版社 2015