多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)

一、螺栓(螺钉)预紧力计算多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图1

螺栓帽或螺母的预紧力矩为 T=Kd* F0  ( N•mm)

式中,d——螺纹公称直径(mm)

     F0——预紧力(N)

     K——拧紧力矩系数(无量纲)

拧紧力矩系数K值表

摩擦表面状态

K   值



有润滑

无润滑

精加工表面

0.10

0.12

一般加工表面

0.13~0.15

0.18~0.21

表面氧化

0.20

0.24

镀锌

0.18

0.22

干燥加工表面

——

0.26~0.30

螺栓的预紧力

碳素钢螺栓     F0 =(0.6~0.7)σs As    (N)

      合金钢螺栓     F0 =(0.5~0.6)σs As    (N)

式中,σs ——螺栓材料的屈服强度 (MPa)

As ——螺栓公称应力截面积  (mm2

 而,As=(π/4)*((d2+d3)/2)2

式中,d2 ——外螺纹中径(mm)

      d3 ——螺纹的计算直径,d3=d1-H/6 ,其中H为螺纹原始三角形高度(mm)

      d1 ——外螺纹小径(mm)

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图2

二、有限元分析

(1)建立有限元模型

模型采用M2螺栓,M2螺栓的应力截面积为2.07 mm2,对于普通碳素结构钢材料,如SWRCH10,性能等级按3.6,则其公称屈服强度σs =180Mpa,预紧力为F0 =0.6*180*2.07=224N,而预紧力矩则为 T=0.22*(2/1000)*224=0.1 N•m

本算例利用Abaqus CAE创建有限元分析模型,模型中的6个螺栓连接点,分别采用5种类型的连接方式,支架下端约束6向自由度,由于动力性分析项目居多,这里以模态分析的结果作为目标进行对比分析。

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图3

(2)模型类型及分析结果

1、One KCoup

采用单个控制点的KCoup耦合约束,属于最简单的耦合约束。

优点:前处理耗时最短,计算时间也相对最少。

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图4

模态分析结果:

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图5

2、KCoup+Beam+KCoup(或MPC+Beam+MPC)

采用两个控制点的KCoup(或MPC)耦合约束,两控制点之间创建Beam刚性连接器。

优点:前处理耗时比较短,计算时间也相对较少。

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图6

模态分析结果:

分析结果和One KCoup约束一致。

3、KCoup+B31+KCoup

采用两个控制点的KCoup耦合约束,两控制点之间创建B31单元,即梁单元,单元截面直径为2mm,选择螺栓材料,使B31单元的尺寸、刚度与3D螺栓相似,同时也弥补了螺栓质量的损失。

缺点:前处理耗时较多,计算时间也相对也长。

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图7

模态分析结果:

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图8

4、KCoup+ B31+ KCoup+预紧力

该约束类型是在KCoup+B31+KCoup基础上,创建了预紧力分析步和面接触对,并在B31单元上加载了224N预紧力。

缺点:前处理比KCoup+B31+KCoup更耗时,计算时间相比也增加。

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图9

模态分析结果:

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图10

5、3D螺栓+预紧力

创建3D螺栓模型,尺寸为M2,施加预紧力224N,需要创建预紧力分析步和面接触对,该模型最接近螺栓接触约束真实模型(螺纹模型细节仿真除外)。

缺点:前处理耗时最长,计算时间也相对最多。

优点:仿真结果最接近真实模型。

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图11

模态分析结果:

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图12

(3)结果数据对比分析

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的图13

  1.  对比5种螺栓连接约束模型的分析结果(上表所示),其余4种简化模型分析结果相对于3D螺栓结果的偏差率大多数在1%左右,可认为精度在3%内;

  2. One KCoup类型和KCoup+Beam+ KCoup类型计算结果一样;

  3.  KCoup+B31+ KCoup中,B31单元保留了螺栓的刚度和质量,结果更接近3D螺栓模型;

  4. KCoup+ B31+ KCoup+预紧力中,B31单元加载了预紧力,刚度相对无预紧力的大,所以分析结果的频率相对无预紧力的大。

三、结论

综合5种螺栓连接约束模型的分析结果,有如下结论:

1)    如果模型中螺栓/钉连接处较多,且螺栓/钉相对模型尺寸比较小(M2左右),采用One KCoup类型;

2)    如果模型中螺栓/钉连接处较少,且螺栓/钉相对模型尺寸比较大,螺栓质量在动力性分析中不可忽略时,则采用KCoup+B31+ KCoup类型;

3)    如果模型中螺栓/钉连接处较多,且螺栓/钉质量不可忽略时,则可调整模型零部件的密度,弥补螺栓质量损失,同时采用One KCoup或KCoup+Beam+ KCoup类型创建连接;

4)    在模拟单个或几个螺栓/钉的连接情况,且需要关注螺栓连接细节时,则采用3D螺栓+预紧力类型。

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ABAQUS螺栓模型

多种螺栓连接模型的有限元分析与研究(含算例CAE模型)的评论8条

  • 宏星tomas
    0
    学习
  • hustshiyi
    0
    找到问题了 梁单元加预紧力需要建立至少三个单元,然后选择中间单元加预紧力 预紧力不能施加在有MPC的单元上

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