螺栓连接的有限元分析.docx
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螺栓连接的有限元分析
螺栓连接的有限元分析
1概述
螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。
其具有结构简单，拆装方便,调整容
易等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。
在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。
螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。
传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。
没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节（如应力集中、应力分布）等等。
通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。
用有限元分析软件MSC.Patran/MSC.Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。
因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。
2有限元模型的建立对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。
多点约束单元法（MPC）即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。
在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点（Dependent），另外一个节点为主节点（Independent）主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。
比例因子选为1,
使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。
梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam其能承受拉伸、剪切、扭转。
通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。
本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
2.1几何模型
如图1所示组合装配体，底部约束。
两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定。
端面
受联合载荷作用。
:
Ai
心亠
图1三维几何模型
2.2单元及网格
抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元（shell），设置壳元厚度等于实际壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。
在法兰上下两节点之间建立多点约束单元（RBE2,算例1,图3）或梁元（Beam,算例2,图4）来模拟该位置处的螺栓连接。
图3算例1（多点约束单元法）连接网格
图4算例2（梁元法）连接网格
RBE3
在圆筒端面中心建立不属于结构模型的参考节点，通过加权平均约束单元建立端面节点与参考点的主从约束关系。
外加载荷施加在参考点上，然后被均匀分配到端面节点。
这里，对于多个面的网格划分，应当注意在各几何连接面法矢量的一致性。
这样划分网格时，才能保证shell单元法矢量的一致性。
图2显示了各面的法矢量方向是一致的。
图2面法向量方向图
对于复杂曲面模型，还应当注意连接面接缝处网格协调；网格划分结束，必须用
Equivalenee合并相同节点。
图5整体模型有限元网格
2.3材料属性、边界约束及载荷计算中所使用的材料参数如下：
圆筒：
E=70GPa卩=0.3
螺栓：
E=184GPa卩=0.3
底部法兰在8处螺栓处约束，在独立节点处施加联合载荷。
3有限元结果
3.1应力云图从图6图7看出，两种模拟方法，结构整体应力分布相当
图6算例1（多点约束单元法）应力云图
图7算例2（梁元法）应力云图3.2螺栓强度核算
在两算例中，可以在F06结果文件中得到螺栓对应的节点编号和节点载荷。
从结果文件可以看出，模拟螺栓的两对应节点载荷大小相等、方向相反。
所以，只需取其中一个节点分析即可。
下表1表2以8个上法兰节点为例，各节点载荷分量即为单个螺栓所受的载荷，载荷单位No表1算例1（多点约束单元法）螺栓连接处节点载荷
节空
多点旳束单元怯
Fi
Fy
Fz
-1.420031E+03
-6.691917E-03
3.235151E-^0
14
S.29阴G1E+01
-5.0993£9EH）3
-2.191SS1E'O3
26
3一3二箱能E+03
-1.319354£^3
*王昶OGfEP?
3S
1.670S1GE-HJ3
2.600026E+03
1.6J9335E-H）3
50
-2.23SL56E+02
1.L9363SE-^3
-氐1S9250E+00
62
1.675333E-K）J
2.60009CE-03
-l.et9095E-03
74
3.31?
31SE+03
-l,250442E^3
6.019714E+O2
S6
S.23SQ15E+02
-5.O9945OE-KI3
2r'190135E-K）3
汗：
旳为逹接肆梓的轴向载荷、j值表不擦栓受独nor
表2算例2（梁元法）螺栓连接处节点载荷
节点
架元法
Fx
Fe
2
9.3S77SiE+OC
-6.917615EtO3
3.733675E+O0
1-1
1.252S37E4OS
-5.277085E-03
-3.1100lEEPM
26
1.55S567E^3
-L249650E+O3
工L62379E+00
3S
L.21756LE+O3
2.777717E+O3
3.L590S6EW2
□0
9.31832fiEW
i.444241E403
-4.991U3E+00
62
2.777531E+O3
-3.1UD1：
E+O2
7-1
1.562516E+O3
-1.219S59E+03
2.^3362E+00
開
1.217775E^）3
-5.275227E*O3
3.092671E+02
汀：
Fy为连揍瑾栓的垢勺载荷*1E伫丧示墀扯受費
由表可以看出，Fy为连接螺栓的轴向载荷，正值表示螺栓受拉，负值表示螺栓受压缩载荷。
而实际工作状况下，连接螺栓是不会受压。
表中负值的出现，是由构成单元的两节点之间位移约束特性所决定，这里应当舍负取正。
表1、2中各对应节点Fy值近似相等，Fx和Fz值有所差异。
为了计算方便，以表1（算例1多点约束单元法）为例，分别选取螺栓最大拉伸载荷和螺栓最大剪切载荷计算其相关强度，计算结果偏保守。
螺栓材料1Cr18Ni9Ti，M6
螺栓拉伸载荷：
Fy=4194N
螺栓剪切载荷：
血=+=J/iy+602*=3373N
螺栓拉伸:
螺栓剪切:
根据第4强度理论:
螺栓剩余强度系数:
。
明丄=+3xr2
=V148:
+3xll9:
-254NlPa
说明螺栓强度满足要求。
4分析与结论由上分析可知，在有限元分析时，多点约束单元法和梁元法均可以对装配体中的螺栓进行模拟。
细节处的节点载荷有差异，但不影响整体结果正确性。
两种方法求得的相应节点载荷可用第四强度理论对螺栓进行校核。
相对来说，多点约束单元模拟事先不需要知道螺栓直径大小，只关心螺栓连接位置，操作上要方便；梁元法则需要设置许多相关几何参数，如直径，向量等,在几何外形上与螺栓更为相象，但操作上要复杂一些。
对于机载设备装配体中螺栓连接，均可以做上述近似处理。
具体采用何种模拟方法，由分析人员根据实际情况而定。
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