螺栓的转角法预紧仿真研究
发布日期：2024-07-10 来源：半岛官网pg
螺栓连接是最常见的机械连接之一，被连接件接触面贴合 的紧密程度和预紧程度是保证连接可靠的关键。拧紧螺栓可使螺栓获得一定的预紧载荷，预紧载荷既要使螺栓连接的质量满足要 求，也要使螺栓的强度满足规定的要求。因此，仿真过程中准确地模拟螺栓预紧，对于分析含螺栓结构的可靠性问题具备极其重大意义。
采用 ANSYS 软件进行有限元仿真分析时，螺栓预紧载荷的 施加方法主要有以下 3 种：
（2）渗透接触法：在 Contact Manager 模块中定义螺栓头支承 面与被连接件的过盈接触关系。
（3）降温法：对螺栓杆定义温度场，当温度降低时，螺栓杆收 缩产生轴向位移实现预紧。
实际上，由于螺栓在预紧过程中始终受到拉力和扭矩的共同作用，所以螺栓杆和螺纹表面始终处于复杂的多轴应力状态。然而，上述 3 种预紧载荷的施加方法均不能准确模拟出螺栓在预紧过程受到的拉扭复合应力的作用。基于 ANSYS 软件，采用固定螺母，并在螺栓头施加一定转角的方法，真实地模拟了螺栓的预紧过程，为准确研究螺栓杆受力、螺纹表面应力应变分布提供了一定借鉴意义。
螺栓杆上设有 16.5 圈螺纹，为避免螺栓与螺母发生螺纹滑 脱现象，螺栓杆下部螺纹比螺母多 3 个螺距。初拧落座状态下，螺 栓杆上部螺纹比螺母多 5 个螺距，这样一方面可避免无螺纹杆截 面突变对螺栓、螺母旋合工作螺纹应力应变仿真结果的影响，另 一方面可保证复拧和终拧时，螺栓或螺母可进一步沿螺旋升角相 对运动，螺栓与螺母旋合图，如图 3 所示。
螺栓与螺母螺纹均为右旋单线普通三角螺纹，且均未设置 引导螺纹和收尾螺纹，三角螺纹的原始三角形高为 H′=（姨3 /2） P。根据 GB/T 197-2003[8]，在原始三角形的基础上取外螺纹牙底、 内螺纹牙顶的削平高度为 H′/4，外螺纹牙顶、内螺纹牙底的削平 高度为 H′/8，由此得到的基本牙型，如图 4 所示。取螺栓与螺母上 内、外螺纹的公差带位置为 6H/6h。外螺纹大径公差为 Td/2，Td= 0.265mm；内螺纹小径公差 TD1/2，TD1=0.335mm，如图 5 所示。设置 大、小径公差是为了使内外螺纹可在径向发生相对运动，避免发 生内、外螺纹胶合、咬死现象。
除 ContactΙΙΙ 外，忽略接触对的初始间隙和穿透，即建立“刚好 接触对”。ContactΙΙ 的摩擦系数为 0.23，其余接触对的摩擦系数均 为 0.12。ContactΙΙΙ 可用于研究螺栓杆与被连接件孔壁接触后的承 压情况。为方便提取螺栓头转动一定角度后产生的预紧载荷 FM，在 螺栓无螺纹杆段设置的提取预紧载荷的节点组，如图 9 所示。由于 实体单元没有转动自由度，因此，在螺栓头部设定 1 个 MASS21 单 元作为参考点，用 rigids 将螺栓头部的节点耦合到该参考点上，由 此可将参考点的转动刚性地等效传递到从节点上，最终实现螺栓头 的转动。模型的边界条件为：螺栓头—仅给 MASS21 参考点提供 0.25rad 绕螺栓轴线转动的强迫转角；螺母—全约束；被连接件— 仅释放沿螺栓轴向的平动自由度。为方便观察计算结果，为整个 有限元模型定义了局部柱坐标系，如图 10 所示。
由文献可知：螺栓各螺纹受载不均，第 1 圈工作螺纹承载 最大，通常还伴随发生塑性变形。因此，将螺栓、螺母的材料模型 设置为双线性随动弹塑性材料模型，屈服强度为 460MPa，抗拉强 度为 620MPa。
基于上述有限元模型进行仿真计算。计算完成后，从 ANSYS 后处理模块中提取 0.25rad 转角产生的预紧载荷为 FM=13224N。因此，根据式（4）~式（7），螺栓无螺纹杆段预紧载荷截面上的理论 应力为：
螺栓无螺纹杆段提取预紧载荷截面上的轴向拉应力、扭转 切应力和 Von Mises 等效应力云图，如图 11 所示。对所有计算节 点的应力值取平均可得：截面平均轴向拉应力为 120.362MPa、截 面外圆周平均扭转切应力为 40.298MPa、截面平均 Von Mises 等 效应力为 137.568MPa，有限元仿真应力与理论应力值的误差绝 对值，如表 2 所示。由表 2 可知：采用转角法预紧时，螺栓无螺纹 杆段轴向拉应力、扭转切应力和拉扭复合等效应力的有限元仿真 计算结果与理论值的误差均在 3%以内，说明转角法预紧具有较 高的准确性，能够较为准确模拟出螺栓在预紧过程中受到的拉扭 复合应力的作用。
图12~图 13 为螺栓螺纹杆段的 Von Mises 等效应力、塑性 应变云图。由图可知：前 3 圈工作螺纹牙牙底的应力较大，其中第 1 圈工作螺纹牙受载最大，与真实的情况一致。第 1 圈工作螺纹牙 牙底的 Von Mises 等效应力为 460.452MPa，与材料的屈服强度 （460MPa）近似相等，说明此处发生了局部塑性变形。若螺栓连接 结构上作用有幅值较大的交变动载荷时，螺栓可能在此处发生疲 劳断裂。
螺栓螺纹杆段的 Von Mises 等效应力云图，如图 16 所示。由 图可知：前 3 圈工作螺纹牙牙底的应力较大，其中第 1 圈工作螺 纹牙受载最大，与转角法预紧情况相同。第 1 圈工作螺纹牙牙底 的 Von Mises 等效应力为 424.702MPa，小于材料的屈服强度 （460MPa），未发生塑性变形。
与起始内螺纹旋合的外螺纹的 Von Mises 等效应力云图，如 图 17 所示。由图 17 能够准确的看出：预紧单元法在该处会发生螺纹副 间的挤压现象，使外螺纹在挤压处发生较大的变形，而转角法不 存在这一现象。说明采用转角法预紧时，螺纹副会依照螺旋升角 旋合实现预紧。而采用预紧单元法预紧时，由于 PRETS179 单元 只能提供单纯的轴向预紧载荷，使螺纹副发生轴向挤压变形，却 不能模拟出螺纹副间的旋合过程，因此，预紧单元法不可用于准 确分析螺纹表面的应变情况。
（2）预紧单元法只能获得相对准确的拉应力，切应力仿真结 果与理论误差较大，而转角法得到的应力值与理论值的误差在 3%以内。因此，转角法能准确模拟螺栓在预紧过程中受到的拉扭 复合应力作用的状态。
（3）由于预紧单元法无法计入切应力的影响，使仿真的应力 结果总体偏小，导致得到的应力应变结果偏于保守。
（4）转角法预紧只对含螺纹的螺栓有效，预紧单元法可用于 无螺纹螺栓。此外，由于转角法预紧是由转角量间接得到螺栓预 紧力数值，为得到准确的预紧力需不断试算。因此，转角法预紧的 仿真计算量远大于预紧单元法。
（5）由于预紧单元只有沿预紧方向的自由度，不可用于受剪 螺栓连接结构的预紧仿真；转角法则适用于带螺纹结构的任意受 载螺栓连接的预紧仿真。
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“窗固”是门窗幕墙紧固件行业的知名品牌，旗下 上海窗固工贸有限公司和 上海窗固紧固件制造有限公司是对同一投资主体而分工明确的两家公司。前者主要研究门窗幕墙行业的紧固特点和需求，以最大限度满足和服务门窗幕墙行业客户为经营宗旨；后者专注于紧固件的研发和生产，为前者提供必要的技术上的支持，同时兼顾为别的行业提供服务和产品支持。
公司积极开拓国内外市场，公司产品在国内中高端市场的占有率名列前茅，特别是在上海及周边地区更是独树一帜。其主打产品自攻螺钉、自钻自攻螺钉因质量稳定，产品在国内外同行中享有很高评价。
公司的生产基地在上海市金山区亭卫公路3566号，公司建筑面积20000平方米，员工40多名，车间拥有110套来自台湾的先进冷墩、钻尾和搓丝设备、并配有电脑在线检测系统，对稳定产品质量提供有力保障，同时配有自动送料装置和甩油装置，进一步提升生产效率，降低生产所带来的成本，目前公司年产紧固件15亿件，且可随市场的扩展，能更加进一步扩大产能。公司有一条半自动包装流水线平方米的立体托盘货架。
公司拥有完善的质量管理系统，先进的质量检验设备和专业的质量管理队伍。是上海建筑五金门窗协会和上海建筑装饰协会幕墙委员会的长期会员单位。
螺栓的转角法预紧仿真研究
发布日期：2024-07-10
螺栓连接是最常见的机械连接之一，被连接件接触面贴合 的紧密程度和预紧程度是保证连接可靠的关键。拧紧螺栓可使螺栓获得一定的预紧载荷，预紧载荷既要使螺栓连接的质量满足要 求，也要使螺栓的强度满足规定的要求。因此，仿真过程中准确地模拟螺栓预紧，对于分析含螺栓结构的可靠性问题具备极其重大意义。
采用 ANSYS 软件进行有限元仿真分析时，螺栓预紧载荷的 施加方法主要有以下 3 种：
（2）渗透接触法：在 Contact Manager 模块中定义螺栓头支承 面与被连接件的过盈接触关系。
（3）降温法：对螺栓杆定义温度场，当温度降低时，螺栓杆收 缩产生轴向位移实现预紧。
实际上，由于螺栓在预紧过程中始终受到拉力和扭矩的共同作用，所以螺栓杆和螺纹表面始终处于复杂的多轴应力状态。然而，上述 3 种预紧载荷的施加方法均不能准确模拟出螺栓在预紧过程受到的拉扭复合应力的作用。基于 ANSYS 软件，采用固定螺母，并在螺栓头施加一定转角的方法，真实地模拟了螺栓的预紧过程，为准确研究螺栓杆受力、螺纹表面应力应变分布提供了一定借鉴意义。
螺栓杆上设有 16.5 圈螺纹，为避免螺栓与螺母发生螺纹滑 脱现象，螺栓杆下部螺纹比螺母多 3 个螺距。初拧落座状态下，螺 栓杆上部螺纹比螺母多 5 个螺距，这样一方面可避免无螺纹杆截 面突变对螺栓、螺母旋合工作螺纹应力应变仿真结果的影响，另 一方面可保证复拧和终拧时，螺栓或螺母可进一步沿螺旋升角相 对运动，螺栓与螺母旋合图，如图 3 所示。
螺栓与螺母螺纹均为右旋单线普通三角螺纹，且均未设置 引导螺纹和收尾螺纹，三角螺纹的原始三角形高为 H′=（姨3 /2） P。根据 GB/T 197-2003[8]，在原始三角形的基础上取外螺纹牙底、 内螺纹牙顶的削平高度为 H′/4，外螺纹牙顶、内螺纹牙底的削平 高度为 H′/8，由此得到的基本牙型，如图 4 所示。取螺栓与螺母上 内、外螺纹的公差带位置为 6H/6h。外螺纹大径公差为 Td/2，Td= 0.265mm；内螺纹小径公差 TD1/2，TD1=0.335mm，如图 5 所示。设置 大、小径公差是为了使内外螺纹可在径向发生相对运动，避免发 生内、外螺纹胶合、咬死现象。
除 ContactΙΙΙ 外，忽略接触对的初始间隙和穿透，即建立“刚好 接触对”。ContactΙΙ 的摩擦系数为 0.23，其余接触对的摩擦系数均 为 0.12。ContactΙΙΙ 可用于研究螺栓杆与被连接件孔壁接触后的承 压情况。为方便提取螺栓头转动一定角度后产生的预紧载荷 FM，在 螺栓无螺纹杆段设置的提取预紧载荷的节点组，如图 9 所示。由于 实体单元没有转动自由度，因此，在螺栓头部设定 1 个 MASS21 单 元作为参考点，用 rigids 将螺栓头部的节点耦合到该参考点上，由 此可将参考点的转动刚性地等效传递到从节点上，最终实现螺栓头 的转动。模型的边界条件为：螺栓头—仅给 MASS21 参考点提供 0.25rad 绕螺栓轴线转动的强迫转角；螺母—全约束；被连接件— 仅释放沿螺栓轴向的平动自由度。为方便观察计算结果，为整个 有限元模型定义了局部柱坐标系，如图 10 所示。
由文献可知：螺栓各螺纹受载不均，第 1 圈工作螺纹承载 最大，通常还伴随发生塑性变形。因此，将螺栓、螺母的材料模型 设置为双线性随动弹塑性材料模型，屈服强度为 460MPa，抗拉强 度为 620MPa。
基于上述有限元模型进行仿真计算。计算完成后，从 ANSYS 后处理模块中提取 0.25rad 转角产生的预紧载荷为 FM=13224N。因此，根据式（4）~式（7），螺栓无螺纹杆段预紧载荷截面上的理论 应力为：
螺栓无螺纹杆段提取预紧载荷截面上的轴向拉应力、扭转 切应力和 Von Mises 等效应力云图，如图 11 所示。对所有计算节 点的应力值取平均可得：截面平均轴向拉应力为 120.362MPa、截 面外圆周平均扭转切应力为 40.298MPa、截面平均 Von Mises 等 效应力为 137.568MPa，有限元仿真应力与理论应力值的误差绝 对值，如表 2 所示。由表 2 可知：采用转角法预紧时，螺栓无螺纹 杆段轴向拉应力、扭转切应力和拉扭复合等效应力的有限元仿真 计算结果与理论值的误差均在 3%以内，说明转角法预紧具有较 高的准确性，能够较为准确模拟出螺栓在预紧过程中受到的拉扭 复合应力的作用。
图12~图 13 为螺栓螺纹杆段的 Von Mises 等效应力、塑性 应变云图。由图可知：前 3 圈工作螺纹牙牙底的应力较大，其中第 1 圈工作螺纹牙受载最大，与真实的情况一致。第 1 圈工作螺纹牙 牙底的 Von Mises 等效应力为 460.452MPa，与材料的屈服强度 （460MPa）近似相等，说明此处发生了局部塑性变形。若螺栓连接 结构上作用有幅值较大的交变动载荷时，螺栓可能在此处发生疲 劳断裂。
螺栓螺纹杆段的 Von Mises 等效应力云图，如图 16 所示。由 图可知：前 3 圈工作螺纹牙牙底的应力较大，其中第 1 圈工作螺 纹牙受载最大，与转角法预紧情况相同。第 1 圈工作螺纹牙牙底 的 Von Mises 等效应力为 424.702MPa，小于材料的屈服强度 （460MPa），未发生塑性变形。
与起始内螺纹旋合的外螺纹的 Von Mises 等效应力云图，如 图 17 所示。由图 17 能够准确的看出：预紧单元法在该处会发生螺纹副 间的挤压现象，使外螺纹在挤压处发生较大的变形，而转角法不 存在这一现象。说明采用转角法预紧时，螺纹副会依照螺旋升角 旋合实现预紧。而采用预紧单元法预紧时，由于 PRETS179 单元 只能提供单纯的轴向预紧载荷，使螺纹副发生轴向挤压变形，却 不能模拟出螺纹副间的旋合过程，因此，预紧单元法不可用于准 确分析螺纹表面的应变情况。
（2）预紧单元法只能获得相对准确的拉应力，切应力仿真结 果与理论误差较大，而转角法得到的应力值与理论值的误差在 3%以内。因此，转角法能准确模拟螺栓在预紧过程中受到的拉扭 复合应力作用的状态。
（3）由于预紧单元法无法计入切应力的影响，使仿真的应力 结果总体偏小，导致得到的应力应变结果偏于保守。
（4）转角法预紧只对含螺纹的螺栓有效，预紧单元法可用于 无螺纹螺栓。此外，由于转角法预紧是由转角量间接得到螺栓预 紧力数值，为得到准确的预紧力需不断试算。因此，转角法预紧的 仿真计算量远大于预紧单元法。
（5）由于预紧单元只有沿预紧方向的自由度，不可用于受剪 螺栓连接结构的预紧仿真；转角法则适用于带螺纹结构的任意受 载螺栓连接的预紧仿真。
本文由窗固紧固件自网络搜集并整理发布，版权归原文作者所有，如侵犯到您的权益，请联系删除。]窗固抖音号
“窗固”是门窗幕墙紧固件行业的知名品牌，旗下 上海窗固工贸有限公司和 上海窗固紧固件制造有限公司是对同一投资主体而分工明确的两家公司。前者主要研究门窗幕墙行业的紧固特点和需求，以最大限度满足和服务门窗幕墙行业客户为经营宗旨；后者专注于紧固件的研发和生产，为前者提供必要的技术上的支持，同时兼顾为别的行业提供服务和产品支持。
公司积极开拓国内外市场，公司产品在国内中高端市场的占有率名列前茅，特别是在上海及周边地区更是独树一帜。其主打产品自攻螺钉、自钻自攻螺钉因质量稳定，产品在国内外同行中享有很高评价。
公司的生产基地在上海市金山区亭卫公路3566号，公司建筑面积20000平方米，员工40多名，车间拥有110套来自台湾的先进冷墩、钻尾和搓丝设备、并配有电脑在线检测系统，对稳定产品质量提供有力保障，同时配有自动送料装置和甩油装置，进一步提升生产效率，降低生产所带来的成本，目前公司年产紧固件15亿件，且可随市场的扩展，能更加进一步扩大产能。公司有一条半自动包装流水线平方米的立体托盘货架。
公司拥有完善的质量管理系统，先进的质量检验设备和专业的质量管理队伍。是上海建筑五金门窗协会和上海建筑装饰协会幕墙委员会的长期会员单位。