摘 要

螺栓连接作为可装卸式的连接方式，广泛使用于各种机械设备相互连接的场合，连接方式众多，而在机器工作过程中，螺栓连接部位很容易产生应力集中和疲劳，这将严重影响螺栓的寿命和连接精度，需要用计算机软件对螺栓连接时的状态进行模拟和分析，因此进行“螺栓连接的仿真分析”研究具有一定的理论意义和实际应用价值。

本文通过阅读国内外文献，了解螺栓连接的方式、特点，以及螺栓仿真技术的模拟方法，通过ANSYS APDL软件建立了真实螺纹螺栓模型和简化螺纹螺栓模型，并在施加荷载、自由度约束、建立接触对后对两种模型分别进行真实螺纹法、螺栓截面法、MPC（多点约束）法三种模拟方法进行仿真分析，并根据仿真结果对比分析不同螺栓建模方式结果的差异，总结三种方法各自的优点与缺点，为指导螺栓连接的仿真计算提供指导。

关键词：螺栓连接；有限元分析；有限元模型；ANSYS

Abstract

As a detachable connection mode, bolted connection is widely used in various occasions where all kinds of mechanical equipment are connected to each other, and there are many connection modes, but in the working process of the machine, the bolted connection part is easy to produce stress concentration and fatigue, which will seriously affect the life and connection accuracy of bolts. It is necessary to use computer software to simulate and analyze the state of bolted connection. Therefore, the research on “simulation analysis of bolted connection” has certain theoretical significance and practical application value.

By reading the literature at home and abroad, this paper understands the ways and characteristics of bolt connection and the simulation method of bolt simulation technology, establishes the real thread bolt model and the simplified thread bolt model through ANSYS APDL software, and carries on the simulation analysis of real thread method, bolt section method and MPC (multi-point constraint) method to the two models after applying load, degree of freedom constraint and establishing contact pair. According to the simulation results, the differences of different bolt modeling methods are compared and analyzed, and the advantages and disadvantages of the three methods are summarized, which provides guidance for guiding the simulation calculation of bolted connection.

Key Words: Bolt Joint; Finite-element Analysis; Finite-element Model; ANSYS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 技术研究路线 4

1.5 本章小结 5

第2章 螺栓连接原理 6

2.1 螺栓连接特点 6

2.2 连接主要形式和失效模式 6

2.3 螺栓连接模型强度计算校核 8

2.4 本章小结 9

第3章 仿真模型和模拟方案设计 10

3.1 仿真模型 10

3.2 模拟方案 11

3.3 本章小结 12

第4章 建立螺栓模型与网格划分 13

4.1 建立螺栓模型 13

4.1.1 建立真实螺纹螺栓模型 13

4.1.2 建立简化螺栓模型 15

4.2 螺栓模型网格划分 16

4.2.1 真实螺纹螺栓模型网格划分 16

4.2.2 简化螺栓模型网格划分 19

4.3 本章小结 20

第5章 建立螺栓模型荷载与接触对 21

5.1 建立预拉伸截面模型 21

5.2 建立接触对 21

5.2.1 螺纹区域的接触 21

5.2.2 螺栓柱头与盖板的接触 22

5.2.3 盖板与底板的接触 23

5.3 边界条件与荷载 23

5.4 本章小结 24

第6章 三种模拟方法的仿真分析 25

6.1 轴向位移（UY） 25

6.1.1 二维模型的轴向位移（UY） 25

6.1.2 三维模型的轴向位移（UY） 27

6.2 Von Mises等效应力 29

6.2.1 二维模型的等效应力 29

6.2.2 三维模型的等效应力 31

6.3 应力线性化 32

6.4 本章小结 34

第7章 总结与展望 35

7.1总结 35

7.2展望 35

参考文献 36

附录 38

附录A 真实螺纹螺栓建模 38

附录B 螺栓模型网格划分 39

附录C 二维真实螺纹模型分析处理 43

附录D 三维真实螺纹模型分析处理 45

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 研究背景

在如今生产机械化大迈步的时期，机械生产的安全地位放在首位，而小小的螺栓却有可能是影响一台机械使用寿命的关键所在，作为连接机械各种小零部件的结点，螺栓虽小，但地位比起其他器件来说同样重要。一般而言，在各种机械连接器件的日常工作运行中，螺栓附近的应力集中和疲劳现象是最容易产生的，长时间下来，会对该位置螺栓的使用寿命和精度质量产生影响。因此，分析螺栓连接的应力的分布，对于有效改良螺栓连接质量有着重要的意义。螺栓连接作为一种简单的可装卸式的机械连接装配方式，操作方便快捷，普遍存在于各种机械设施中连接零件的间距厚度不大的场合。各种螺栓的装配与连接形式复杂多样，在对不停研究零件本身材质强度的同时，如何加强连接零件与螺栓零件之间的配合强度，做到严丝合缝，同样是一个非常重要的技术设计难题。设计出一个合适的螺栓连接结构，需要根据螺栓所处的安装位置、受到的压力情况、周边的环境等多种因素进行统筹分析，情况复杂难以在现实中做到一一重现模拟。所以，利用计算机软件进行螺栓模拟仿真分析的需求就应运而生。

有限元仿真分析，即通过计算机软件在计算机上对要研究的物体进行建模，后设置相对应的虚拟环境条件，对其进行模拟仿真，而计算机会将模拟结果以层次多样的图片形式输出，研究人员可根据结果进行分析。仿真模拟的好处在于，可以重复改变多次环境条件，进行对比参照实验，也可以改变物体本身的建模模型，为不同的方法提供思路。目前，有限元分析技术在螺栓连接参数指导分析的应用十分广泛，但问题在于，当对一个带有连接螺栓的机械零件结构元件进行有限元仿真分析时，由于利用计算机去加载一个模拟螺栓的预紧力较为困难，而且计算时间非常长，因此在工程设计中，大部分情况下不去处理预紧力对螺栓的直接影响，而是将螺栓连接简单化处理，变成完全刚性连接，从而忽略预紧力的影响，将螺栓还有结构连接中的各个主要部件直接合并，成为一个整体，做到简单方便的进行分析，这种方法也被称作结构一体化。但是，这种简单化有限元的分析模型往往不能正确反映出螺栓连接过程中各刚性应力连接和阻尼连接，还有被忽略的螺栓预紧力本身对其动力学结构特性的影响，这就导致其计算结果与实际的情况往往相差甚远。随着现如今有限元技术及其他计算机软件的发展，在能更好实现螺栓模拟情况的发展道路上，取得了一定的突破和进展。比如在处理静态螺栓时，可以直接施加应力到螺栓上进行载荷处理，但这种分析处理方法仍存有很大的局限性，也同样有可能在计算过程中出现疏漏，造成有限元计算结果与实际的较大误差；另外还有一种方法，利用有限元软件中的预紧力单元，来模拟螺栓的实际预紧力，并通过有限元方法直接进行预紧力的计算，但都与实际情况有一定的计算误差，而且过程繁琐复杂。