有限元螺栓简化知识

1、word1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/MS

2、C.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RBE绯模拟螺栓连接。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

3、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。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。2,图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,；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RBE3建立端

4、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。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Equivalence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,=0.3螺栓：E=184GPa科=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。5 / 9word3.2螺栓强度核算6 / 9图7算例2（梁元法）应力云图word在两算例中，可以在F06结果文件中得到

5、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，载荷单位表1算例1（多点约束单元法）螺栓连接处节点载荷节.点承号零点约束肋元通毅荷分量三二三二2-1.12O&31M2Y.69r517M3工£骂吗工EY。ii£.9G561E+02-5.099非驻弋3-2.194SS1E-0326S.32SSCEJS+034！M9554E+M-S.9606L2E-023S1.e7031SE+03工60。期ET?161郭35EY?50-2

6、.4.K363SEM392MH)Q£51.67&WE+D3二GC00EM)3-1.6J9O&=E-03713.319MSE+03-1.250442E-4O3&.01971IE-02瓯S.23SD15E+02-3.09915OE-H332.4901S5E-03汴：为旌拇婢怜的知向懂断正值表示耀帏受拉wor表2算例2（梁元法）螺栓连接处节点载荷9 / 9节点编号里元法载荷分量Fs_FtF工n9.35T7S4E+W-6.94745E+033.733675E-H)0111.C52B37E+03-5.2770G5E-O3-3.11D01E-021.56&57&#

7、163;+03一；.二评MQEF3316：379E+<?Q能1,二仃561E+Q3777717133.1转。洸E二509.S1S326E+Q3472近刊3一也期1I43M。621.25111E+032.777531J+03-3.11401E-H)2711.552516E+03-1.219359032.325362E-HOO561.247773E+03-5.275227E+O33.09267LE+<J2汴二咫切他夜斗蚱用希可载传,无子牙湾汁置"itors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

8、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：J月，十月2工小331炉十6口下=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: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