仿真螺栓连接装配体

将部件装配在一起的方法有很多,如果部件需要拆卸下来进行维护或修理,这种情况需要使用螺栓。螺栓还可以用来连接由不同材料做成的部件,在这种情况下焊接难度比较大。

从FEA角度来说,螺栓可采用很多不同的方法进行建模,从使用约束方程在部件之间建立简单连接到全面的螺栓详细模型,可能还包含完整的螺纹细节。无论使用什么模型,要仿真螺栓连接装配体,通常都需要进行多步骤分析以模拟实际情况。先用螺栓连接装配体,然后再在具有相应载荷和边界条件的环境中使用。结构分析模型允许您采用类似方式施加载荷。先施加螺栓预紧力,在模型中生成应力和变形。然后在螺栓锁定后施加额外载荷。

我们主要介绍采用几何方法建模螺栓的装配体,但没有细节螺纹。(注意,下面的内容同样适用于将螺栓建模为简单梁单元的情况。)构建此类模型您所面临的挑战是什么?您需要注意什么?处理螺栓问题时面临的最大挑战之一是您很少面对单个螺栓。实际上,螺栓数量如果没有几百个,也会有几十个。您怎么才能有效处理大量螺栓的问题?能否设置一个螺栓,再复制成其它螺栓?如何高效设置模型,以反映螺栓与各个连接部件的所有接触点?

下面的视频演示了如何在模型中高效创建预紧螺栓,以及如何通过多步骤分析对螺栓连接的装配体设计进行分析。

观看视频,看看ANSYS Mechanical处理螺栓连接装配体的效率有多高

几何结构导入后,能够自动检测装配体中的接触。您只需确保螺栓之间的接触点和连接部件具有合适的属性,例如无摩擦或具有给定的摩擦系数。对应分组接触点是一个不错的想法,这样您可在以后重复使用模型时对其进行识别。

Contacts Between Bolts

螺栓之间的接触点与连接部件

然后,您需要定义每个螺栓上的预紧力。这里的最佳方案是在单个螺栓上创建载荷条件,然后复制到具有相同属性的所有其它螺栓上。只需点击几次鼠标,就可在模型中的所有螺栓上生成条件。

Definition of Bolt Pretentional Auto Gen Loads

定义螺栓预紧力并在多个螺栓上自动生成载荷

如前文所述,仿真至少有两个步骤:第一步是施加预紧力,第二步是在螺栓锁定在受限状态下时施加其它载荷。第一步模拟产品的装配体,第二步是产品在实际载荷条件下的真实行为。无论是通过载荷还是通过调整来定义螺栓预紧力,您都有可能希望检查反应力,这样才能确保所有载荷都已正确施加。在这里,自动操作同样可为您节省大量的时间,可在一个螺栓上定义想要的结果,然后在所有其它螺栓上自动创建结果。

Typical Results for a Bolted Assembly

螺栓连接装配体的典型结果

Contact Pressure Bolt Head Pretention

实际载荷条件下预紧力状态的螺栓头接触压力

Picture of Pretension Results

预紧力结果(等高线和表格)图 螺栓和预紧力结果引起的应力

Stresses Induced by Bolts Pretension Results

螺栓和预紧力结果引起的应力

如果您想进一步对螺栓进行具体分析,您可能希望加入螺纹细节。不过,螺纹几何建模会导致更大的模型,因为获取应力需要高网格密度。更好的解决方案是将螺纹作为接触点建模,不提供螺纹的几何结构。接触算法将负责计算准确应力,如下所示。如果您需要了解这种建模技术的更多详情,请联系我们。

Simplified Model for Faster Threads

简化模型还可加速对螺栓螺纹的准确分析