高级有限元模拟中螺栓预紧力的精确建模及分析

引言

螺栓连接凭借其结构简单、制造与安装方便的特点，在现代工业领域广泛应用。螺栓在装配过程中通常需要预先施加力，导致螺栓结构在承受工作负荷前便承载预应力，这一预应力的大小直接影响结构的稳定性与安全性。在使用有限元分析(FEA)评估含螺栓结构时，正确模拟螺栓预紧力是获得准确结果的关键步骤。本文针对此类问题，详细解析了分别采用户温度法、渗透接触法和螺栓载荷法三个不同方法模拟螺栓预紧力，并对各方法的计算结果进行对比分析。




螺栓预紧力模拟实例

考虑图2.1所示的螺栓连接结构，结构参数包括螺栓预紧力F (计算值为2.5×104N)、材料为钢，弹性模量E(计算值为210 GPa)、泊松比v (计算值为0.3)、线膨胀系数α(计算值为1.2×10^5°C^1)、下侧平板接触面摩擦系数µ(计算值为0.15)。针对此结构，在螺栓预紧力作用下的应力分布进行分析。

温度法模拟螺栓预紧力

温度法基于材料在预紧力作用下产生形变的理论，通过在螺栓上施加对应负温度载荷模拟预紧力。计算获得螺杆的变形量Δl1约为3.03×10^2mm。被连接件的轴向压应力等效圆锥体刚度计算中，提及预紧力用于计算被连接件变形量Δl2的过程。

渗透接触法在螺栓预紧力模拟中的应用

渗透接触法通过构建局部过盈量来实现螺栓的预紧效果。在ABAQUS中构建螺栓结构网格模型，通过减去预紧力后螺杆和被连接件的总变形量来模拟初始过盈状态，具体通辧ABAQUS的过盈接触功能实现预紧力的逐渐施加。

螺栓载荷法在螺栓预紧力模拟中的应用

ABAQUS提供了螺栓载荷功能，用户可通过定义预紧截面并施加相应载荷来模拟螺栓预紧力的效果。具体步骤包括选择合适的单元面定义截面、调整预紧力参数等，确保在各个分析步中螺栓保持预紧状态。

梁单元简化中的螺栓载荷法

将螺栓简化为梁单元来模拟其预紧力作用，这种方法简化了几何模型，降低了计算成本。通过采用温度法模拟能够更精确地模拟简化梁结构的预紧受力情况。请注意，采用简化或完整螺栓几何在螺栓载荷法中各有其优势。

结果分析与结论

对不同模拟方法下的结果进行对比分析，归纳出温度法、渗透接触法及螺栓载荷法在螺栓预紧力模拟中各自的优缺点。通过结合螺栓预紧力与被连接件接触状态的分析，推荐采用螺栓载荷法或渗透接触法作为模拟螺栓预紧力的最佳实践。