螺栓连接结构的处理方式

螺栓连接是机械零部件间最常用的连接方式之一，而且在一些领域，装配式越来越热。螺栓连接在有限元结构分析是该如何处理呢？

其实关于这个问题，大家能在很多渠道找到各种不同软件的不少处理方式：

采用刚性单元连接对应的两螺栓孔；  

     

采用梁单元连接对应的两螺栓孔； 

     

两零件接触面间定义摩擦接触，对简单螺栓模型上先施加预紧力，锁定后再施加外载； 

有的软件还具备得用简单螺栓模型，结合螺纹参数，得到更好获得的螺牙处的应力分布； 

也有建立详细螺牙细节模型，考虑垫片（单元及材料属性）纳入整体分析计算的。

在汽车碰撞领域，还有专门对钣金件上的螺栓孔关于网格划分处理的规范要求。

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那么关于这些处理方式，到底哪个是对的呢？

其实，在我看来，这个问题没有答案。或者说，处理方式没有对错之分，只有选用的是不是合适的差别。   

做任何一项分析，首先也是最重要的事项，应该是：明确分析目的。这个是要跟团队中的设计工程师或是需求方仔细沟通明确的，不然可能会导致后续工作的反复，或是影响分析的价值。

明确分析需求，制定相应的分析方案。而在面对结构的细节处理时，就需要根据自己的分析目的来选择性处理。宗旨相当是，细节处理的方式不影响到你想到的目标结果，并尽可能以最少的计算资源来处理，以提高工作效率。

这可能说的有些宽泛了，稍微具体的来说。在我的项目经验中，大型设备内部的螺栓连接是比较多的。通常我会根据分析目标，结合分析方案，将这些螺栓、螺钉连接分成几个类型：

1.螺栓连接处不是分析的重点，只是在分析模型中需要实现载荷在不同零件的传递。

对于这种情况，通常我会直接将螺栓组去除，只是在连接面的相关区域建立 绑定接触。

2.外载下，一组螺栓连接中，螺栓受载的差异性，以便更好的布置螺栓孔。

对于这种情况，通常我会采用beam单元来连接螺栓孔，以获取螺栓承受的载荷。

3.需考虑连接可靠性。

这个通常没有很好的方法，只能采用施加预紧力，建立非线性接触来计算。注意不要在几组螺栓上同时采用非线性，给自己增加难度，可以在分析方案上多花点功夫。

对螺栓、垫圈、螺母的模型简化处理需注意对区域刚度的影响。因为需要获取连接区域附近关键位置的变形量，评判该变形量是否超过允许值，以确定连接可靠性。同时，还需要对螺栓的强度进行校核，通常螺栓需关注螺帽根部和螺牙处应力。 

    

   

关于螺栓强度的评判准则也有不少，机械手册上也有相应的各种保证载荷和相应的组合方式。

也有一些软件把相应的评判准则内置在软件中，建议还是根据自己的工况情况，选择合适的准则。   

最后想聊的是关于强度校核，在我看来，对于没有强制标准的行业，别人的准则可以参考借鉴，还是要根据自己产品的实际情况（工况、工艺、材料、实际应用反馈等），建立起针对性的强度标准。有时为了对特定产品的核心零件的强度校核，可以将老产品或是类似结构系列进行对比分析，结合实际反馈情况，最终确定新产品核心零件的允用应力值。在质量安全与经济性间，确定合适的平衡点。

还有就是，不要在分析上给自己较劲。一个分析结果出来，薄弱区在焊缝区域，而且在工况上还存在着交变应力，存在着疲劳风险，而对于焊接质量，有时没有很好的质量控制检测手段，这个时候除非必要，不要给自己找不确定性。与其在那纠结许用应力值该选多少，不如在结构上考虑将薄弱区转移。

作为分析工程师，采用有限元分析只是一种手段。体现工程师价值的，是能够权威判定结构是否OK，同时能够找出原因，给出结构改进的方向。 

围绕零件间的连接关系，下期聊聊轴承在结构分析中的处理方式，欢迎留言交流。

源自CAE技术交流平台