螺栓和法兰连接的接触分析

1、螺栓和法兰连接的接触分析摘要：在各种机械结构中，螺栓连接是一种简单而普遍的连接形式。研究螺栓连接的历史悠 久，一个世纪以来，各种科研机构均对其进行过深入细致的研究，多采用两种常用的方法: 理论解析法和有限单元法。其中螺栓与法兰的接触问题又是一种典型的边界条件非线性问 题，接触体的接触面积和压力分布随外载荷变化而变化。在分析接触问题时，使用 Abaqus/standard模块，能正确模拟接触的过程，判断接触状态、输出接触压力、接触面积、 能量的变化、局部方向的摩擦剪应力和相对滑动1前言螺栓法兰连接是压力容器上必不可少的重要部件，被广泛应用于石油化工、电力、原子 能、轻工等领域。连接失效形式主要表

2、现为泄露，一旦发生泄露，不仅给工业生产带来安全 隐患，而且会造成资源浪费和环境污染。在有限元分析中接触条件是一种特殊的不连续约束。 它允许从模型的一部分传递到另一部分，只有当两表面接触时才会有约束产生，而当两个接 触的面分开时，约束作用就会消失。在求解承受外载荷作用的螺栓法兰连接问题时，由于垫片材料的非线性和外载荷的非 对称性，分析比较复杂。因本人能力有限，故简化了多模型的分析，去掉了垫片的影响。2有限元模型的建立2. 1建模本文基于Abaqus/CAE模块，建立螺栓与法兰接触的模型。其中所有的部件尺寸都为作 者自定义，可能与实际情况会有所差别。基于结构和载荷的对称性，只取模型的1/4进行分

3、析。见图2-1图2-1螺栓与法兰连接的三维模型在接触分析中有两个重要问题：1、在接触关系建立起来之前，模型中的实体可能出现刚 体位移；2、接触条件突然改变，导致Abaqus无法收敛。因此，本文建模分析使用了多步 分析步，使模型平稳地进入接触状态，将载荷逐步施加到模型上。各接触面上使用库伦摩擦， 摩擦系数为0.15。又因为螺纹处的应力应变状态不是所关心的重点，故为了简化分析，不 对螺纹精确建模，而是在螺栓与螺母接触的内表面之间建立绑定约束（tie）.输入材料特征本分析中法兰与圆盘的材料用的是2.25Cr1Mo;弹性模量为176.4*103 MPa，屈服极限为 234MPa，泊松比为0.3；螺栓与

4、螺母使用的材料为25Cr2MoVA，弹性模量为1593.6*103MPa， 屈服极限为512MPa，泊松比为0.3.分析步建立此模型有五个分析步：1、初始分析步initial施加固定边界条件和整个模型的对称边界条 件；2、第一分析步，在圆盘上定义临时固支边界条件，在螺栓上施加很小的预紧力，让各 个接触关系平稳地建立起来。3、第二分析步，去掉圆盘上的临时固支边界，保持螺栓预紧 力不变4、第三分析步，将螺栓上的预紧力加到7500N； 5、第四分析步将螺栓上的预紧力改 为固定螺栓的长度；6、第五分析步，在法兰轴向施加10000N的拉力。最后，得到施载荷如 图2-2所示；提交分析作业，经后处理得到的变

5、形云纹图如图2-3, 2-4, 2-5, 2-6所示。图2-2定义的载荷和边界约束图1.0000E-02图2-4螺母变形云纹图andard 6.10-1图2-3图2-5螺栓变形云纹图图2-6圆盘变形云纹图3结果分析通过对abaqus计算结果后处理，使用plot功能，可以得到在螺栓受预紧力作用的情况下， 模型应变能随时间的变化图，如图3-1所示。模型中总能量输出随时间的变化图，如图3-2 所示。通过reportField output命令，还可以得到模型各个部件应力、应变和位移的大 小。对图3-1和3-2进行分析，可知在initial和第一，第二分析步中，螺栓逐渐拧紧直至 与部件接触，所以没有能

6、量的产生和释放，从第三个分析步开始，由于预紧力越来越大，所 以能量也逐渐增加，由于此过程中，模型是吸收能量的，所以总输出的总能量也负的越来越 多，直到所加预紧力达到最大，能量又进入一个平衡阶段。分析图3-3,此图是3-1的放大 图，由于第一步到第三步能量变化是比较小的，所以在图3-3中，时间从0到0.03都是以直线表示了。由于第四分析步中加载了轴向的外载荷，所以，从第四分析步开始，应变能又 有了一个增长的过程，而且增长的比第一到第三分析步的要大的多。图3-1预紧力作用下应变能随时间变化图3-2预紧力作用下总体能量输出随时间的变化图3-3预紧力作用下应变能随时间的变化（放大图）由于Abaqus有

7、限元软件的强大查询功能，可查询模型各个部分节点的应力大小和位移大 小。如图3-4为法兰部分节点的应力大小，其中最大应力出现在181号节点处，为127MP， 最小应力出现在4941号节点处，为0.9P。取模型中间的那个螺栓2为研究对象，如图3-5 为螺栓2部分节点的应力大小，其中最大应力出现在964号节点处，为552MP，最小应力发 生在13034号节点处，为0.8P。同样的图3-6,3-7分别显示了法兰和螺栓1的最大位移和 最小位移。Field Output reported at nodes For part: FALAN-1 Computation algorithm: EXTRAPOLA

8、TE_COMPUTE_AUERAGE flueraged at nodes Aueraging regions:Field Output reported at nodes for part: LUOSHUAN-2 Computation algorithm: EXTRAPOLfiTE_COMPUTE_AUERAGE Aueraged at nodes Aueraging regions: ODB_REGIONSNodeS.MisesNodeLabelS.MisesLoc 1LabelQLoc 1638730.1792638815.617413073243.949E-03638934.0205

9、13074412.012E-03639636.2011113075423.082E-03639123.538513076348.147E-03639242.007113077415.853E-03639357.316813078354.269E-03639424.495513079147.774E-03639513.562913080284.504E-0313081242.305E-03Minimum916.731E-03Minimum81 .9653E-03fit Node49JU1At Node13834Maximum127.637Maximum204.463At Node181At No

10、de964Total127.921E+03Total552.364E+03ODB REGIONS13072317.416E-03图3-4法兰部分节点所受应力变化图图3-5螺栓2部分节点所受应力变化图Field Node Label 6389 6398 6391 6392 6393 639U 6395Output reported U.Magnitudeat nodes For part: U.U1 Loc 1 -15.2118E-03 -1U.1532E-03 -18.U0U4E-03 -8.66559E-03-7.1I3752E-03FALAN-1-260-261-263-266-275-2

11、71-277U.U2 Loc 1U.U261263265267276272278LOC 1QLoc 1.873E-03645E-03-2 0-25-27-21-27-3 0-232558E-03.371E-03730E-037176E-03.771E-03733E-032059E-03.602E-03579E-037099E-03.552E-03186E-03nsnsE-oa.991E-03186E-03.25QE-0327UE-032824E-03MininunAt Node598.887E-064809-1I6.527HE-036155-277.379E-03233-46.3609E-O3

12、 5856Haxinun At Node323.48E-03 4212141.877E-031182.78977E 03 1269147.029E-03 115Total1.39346E*03228.340-1.29447E*03237.901NodeLabel,MagnitudeLoc 1U.U1Loc 1U.U2Loc 1U.QLocU313075161.882E-B382.5214E-03-115.114E-0378.3877E0313 076158.839E-0382.4491E-03-110.713E-0378.5780E0313077164.687E-B382.6340E-03-1

13、19.O35E-0378.2563E0313078159.8WE-0381 .9694E-03-112.851E-B378.0862E0313 079173.831E-03S3.4724E-03-130.8H5E-0378.2876E0313080157.B62E-0382.4218E-03-1B8.077E-0378.7B57E0313 081171.3O2E-0382.3662E-83-128.659E-8377.5B53E83Minimum22.4102E-03-12.443E-03-142.025E-03-8.6885E-03fit Node475775891239616Maximum

14、181.801E-0383.4796E-03-2O.3963E-0379.244E-03fit Node4B329613021Total1.02096E+03119.799-935.203168.756Field Output reported at nodes for part: LUOSHUflN-1图3-6法兰部分节点位移变化图图3-7螺栓1部分节点位移变化图4 结论接触问题是有限元分析过程中遇到的一个难题，需要构建合理的有限元模型，正确 设定分析步和边界条件。基于Abaqus有限元软件，在分析接触问题时，通过判断模型 部件上可能发生彼此接触的表面，创建可能发生接触的接触对，最后定义控制各接触面 之间相互作用的本够模型。使用Abaqus有限元软件分析几