1、ANSYS螺栓仿真校核技术专题技术创新 变革未来CAE仿真分析发展仿真分析发展-系统系统VS细节细节CAE当前发展充满辩证当前发展充满辩证思思想想 系统VS细节 宏观VS微观 单场VS多场焊缝焊缝Multi-LevelMulti-ScaleMulti-DisciplinaryQcell1 Qcell2 Qcell3 Qcell4 Qcell5 Qcell6 Qcell7 Qcell8 Qcell9 Qcell10 Qcell11 Qcell12 Qcell13 Qcell14 Qcell15 Q cell16Temp_block_1 Temp_block_10 Temp_block_11 Te
2、mp_block_12 Temp_block_13 Temp_block_14 Temp_block_15 Temp_block_16 Temp_block_2 Temp_block_3 Temp_block_4 Temp_block_5 Temp_block_6 Temp_block_7 Temp_block_8 Temp_block_9 单机 VS 云平台 Multi-Platform 通用软件 VS 专业分析系统 Multi-Paas 纯校核 VS 设计-制造 Multi-stage目录目录 螺栓失效及校核方法螺栓失效及校核方法 螺栓处理方式螺栓处理方式及及ANSYSANSYS操作技巧操
3、作技巧 螺螺栓处栓处理理方方式式 ANSYSANSYS操操作作技技巧巧 基基于于VDI2230VDI2230的螺栓强度及疲劳分析工具的螺栓强度及疲劳分析工具 VDI2330VDI2330简介简介 BoltBolt AssessmentAssessment insideinside AnsysAnsys简介简介 实实例演例演示示细节结细节结构构VS连接连接连接分类机械连接铆接、螺栓连接、键销连接、弹性 卡扣连接等静联接不可拆固定连接：焊接、铆接、粘接 等可拆固定连接：螺纹连接、销连接、插接等焊接利用电能的焊接（电弧焊、埋弧焊、 气体保护焊、点焊、激光焊）利用机械能的焊接（段焊、冷压焊、 爆炸焊、
4、摩擦焊等）动连接柔性连接：弹性连接、软轴连接移动连接：滑动连接、滚动连接转动连接粘接粘合剂粘接；溶剂粘接螺栓连接螺栓连接螺栓连接形式螺栓连接螺栓连接螺纹设计输入螺栓连接失效模式与相关试螺栓连接失效模式与相关试验验螺栓连接失效形式螺栓不能提供充分的夹紧力，密封不够；被连接件挤压强度破坏；螺栓过载失效（螺栓载荷超过屈服载荷；螺栓载荷超过了拉伸强度，螺栓 剪切失效）螺栓疲劳失效（螺纹失效、螺栓头和螺杆过渡圆角、螺纹与光杆过渡处）螺纹剥离；螺栓相关试验螺栓相关仿真分螺栓相关仿真分析析螺栓相应仿真分析分析类型分析目的1螺栓连接刚度刚度匹配合理，力流传载合理模态，系列动力学分析合理2被连接件静强度评估接触
5、应力，挤压强度3螺栓预紧力计算装配应力4螺栓旋入过程分析旋入过程模拟以得到5螺栓静强度计算螺栓静强度评估6螺栓疲劳寿命分析螺栓可靠性评估7密封、夹紧力校核密封件或其他夹紧装置要求8螺纹分析应力集中系数计算螺纹失效及相关分析9多组螺栓装配过程分析优化螺栓装配先后顺序10螺栓动刚度振动分析振动过程动刚度分析和匹配11垫圈分析垫圈失效校核12螺栓磨损分析磨损分析，磨损疲劳13螺栓热机效应，蠕变，松弛分析热机效应，蠕变，松弛等螺栓仿真分析部分案例 压力容器法兰联结螺栓螺 纹疲劳计算 压力容器密封性能分析 螺栓应力集中系数计算 考虑复杂边界的永磁电机 建模方法及其模态分析研 究报告 复杂电子机箱模态分析
6、 注塑机主轴螺栓VDI2230 强度评估 风机轮毂螺栓强度评估 风机塔筒螺栓评估 柴油机活塞连杆螺栓分析 内燃机机架NVH分析目录目录 螺栓失效及校核方法螺栓失效及校核方法 螺栓处理方式螺栓处理方式及及ANSYSANSYS操作技巧操作技巧 螺螺栓处栓处理理方方式式 ANSYSANSYS操操作作技技巧巧 基基于于VDI2230VDI2230的螺栓强度及疲劳分析工具的螺栓强度及疲劳分析工具 VDI2330VDI2330简介简介 BoltBolt AssessmentAssessment insideinside AnsysAnsys简介简介 实实例演例演示示螺栓失效及校核螺栓失效及校核螺栓模拟问题
7、比较复杂：螺栓模拟问题比较复杂： 需要根据工程实际问题； 所关心的部位来区别对待，采 用不同方法来模拟模拟方法：模拟方法： 建立螺纹特征，进行精细分析 建立螺栓实体，不建立螺纹特征，螺纹与螺栓之间通过绑定接触进行连接； 建立线体，通过BEAM的方法来模拟螺栓，可以施加螺栓预紧； 建立螺栓连接关系，采用BEAMCONNECTION方法来实现； 不建立任何几何体素，在边界的约束读 取反力，通过理论公式进行校核；螺栓处理过程螺栓处理过程 在模拟螺栓过程中需要考虑的方面：几何：螺栓和法兰网格：如何采用最少的自由度来代表真实的结构；四面体网格/六面 体网格接触：接触的定义，实现载荷传递载荷：预紧力；工作
8、载荷； 载荷步1：预紧力施加（preload or adjustment）- （500N) 载荷步2：锁定预紧力 载荷步3：施加工作载荷后处理螺栓处理方式（螺栓处理方式（1） 法兰结构，螺栓及螺母采用真实螺纹形式进行模拟，螺母处螺纹采用螺栓几何作为工具 进行布尔操作 在螺纹处网格密度足够的情况下，此种方法对刚度的模拟非常准确 网格大部分情况下都是四面体网格，需要检查网格质量 如果想要得到准确的应力分布变形分布，网格必须足够的细密螺栓处理方式（螺栓处理方式（2） 法兰结构，螺栓及螺母采用实体进行模拟，但移除螺纹 注意螺栓杆的刚度，尽量不改变螺栓杆的刚度，否则会影响螺栓的变形及系统中载荷的 传递
9、网格大部分情况下都是四面体网格，需要检查网格质量 如果想要得到准确的应力分布变形分布，在螺纹位置的网格需要尽量的的细密螺栓处理方式（螺栓处理方式（3） 几何结构与处理方式（2）相同 通过加密接触部分（螺栓杆与螺母）的网格，Contact sizing 网格大部分情况下都是四面体网格，需要检查网格质量螺栓处理方式（螺栓处理方式（4） 几何结构处理相对复杂，进行切分，可以进行扫略划分 六面体网格划分，螺纹处网格加密螺栓处理方式（螺栓处理方式（5） 几何及网格与处理方式（4）相同 螺栓与螺母的螺纹接触处采用cylindrical joint的方式定义 通过插入命令将joint 修改为screw jo
10、int，并定义节距螺栓处理方式（螺栓处理方式（6）对螺纹进行分析，但是不对螺纹进行建模通过定义的螺纹参数对其进行计算可以支持2D或者3D的形式支持非线性接触以及No Separation接触小应变小转动理论可以快速提高分析效率对啮合处的反对称接触面进行参数设置中径、螺距、牙型角等螺栓处理方式（螺栓处理方式（7） 螺栓几何用线单元代替实体 上下法兰面被分割，可以定义梁与面的连接 关系 线采用梁单元进行模拟，模型尺寸明显减少 接触，螺栓底部与法兰的圆柱面，采用MPC算法的绑定接触螺栓处理方式（螺栓处理方式（8） 螺栓几何用线单元代替实体 线采用梁单元进行模拟，模型尺寸明显减少 接触，螺栓杆与法兰螺
11、栓孔上下线绑定连接螺栓处理方式（螺栓处理方式（9） 通过Body-Body插入Beam在上下法兰间只有一个 beam188单元Scope：法兰螺栓孔的边或者是表面本方法不能直接使用螺栓预紧力 载荷，需要通过APDL命令施加。螺栓处理方式螺栓处理方式目录目录 螺栓失效及校核方法螺栓失效及校核方法 螺栓处理方式螺栓处理方式及及ANSYSANSYS操作技巧操作技巧 螺螺栓处栓处理理方方式式 ANSYSANSYS操操作作技技巧巧 基基于于VDI2230VDI2230的螺栓强度及疲劳分析工具的螺栓强度及疲劳分析工具 VDI2330VDI2330简介简介 BoltBolt AssessmentAssess
12、ment insideinside AnsysAnsys简介简介 实实例演例演示示VDI2230准则准则 发展历程发展历程 VDI：德国工程师协会 VDI2230是以前的VDI设计组ADKI和 现在的VDI联合会的螺栓连接委员会 多年工作的成果 1974年12月版；1977年10月版； 1986年7月版 2001年10月修订版；2003年2月版 2014年12月part2 与常规方法的区别 考虑了预紧时螺栓的松弛 按照采用的拧紧工具，在计算中具体考虑了紧固力的变化范围 用计算法按零件的材料和尺寸确定螺栓和 被连接件的柔度 考虑到力作用点对传力比的影响，引入载 荷导入系数，力争通过科学计算求得各
13、项 参数，更大限度的把经验值进行理论化INPUTSINPUTSJointJoint diagramdiagramStressStressanalysisanalysisR0:R0:初步确定螺栓公称直径，核算其使用范围初步确定螺栓公称直径，核算其使用范围R1:R1:确定扭紧系数确定扭紧系数R2:R2:确定最小残余夹紧力确定最小残余夹紧力R3:R3:求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数R4:R4:计算因嵌入产生的预紧力损失量计算因嵌入产生的预紧力损失量FZFZR5:R5:计算最小装配预紧力计算最小装配预紧力R6:R6:计算最大装配预紧力计算最大装
14、配预紧力R7:R7:装配应力装配应力R8:R8:工作应力工作应力R9:R9:变应力变应力R10:R10:表面压强表面压强R11:R11:最小拧入深度最小拧入深度R12:R12:抵抗滑动的安全限度抵抗滑动的安全限度R13:R13:求扭紧力矩求扭紧力矩R0：初步确定公称直：初步确定公称直径径 确定名义直径确定名义直径d d和检查和检查限限制的尺寸制的尺寸G GR0：初步确定公称直：初步确定公称直径径 确定名义直确定名义直径径d d和检查限制的尺和检查限制的尺寸寸G G名义名义直径直径通通常根常根据据表表格格A7A7来决定来决定1.1.在第在第一栏一栏中中选择选择与与作用作用于于螺栓螺栓连连接的接的
15、负负荷接荷接近近的最的最大大的作的作用用力；力；如如果在组果在组 合负合负荷（荷（纵纵向载向载荷荷及横及横向向载荷载荷）时时，FAmax = =2 2* *e e6 6的的高高强度强度螺栓螺栓 连接，其疲劳极限参考值为：连接，其疲劳极限参考值为： 先轧制后热处理的螺栓(SV） 热处理后进行轧制的螺栓（SG） 此部此部分主分主要要是校核是校核 螺栓螺栓的疲的疲劳劳强度强度 保证保证螺栓螺栓工工作时的作时的 应力应力幅小幅小于于许用应许用应 力幅力幅 许用许用应力应力幅幅根据加根据加 工方工方式（式（热热处理前处理前 滚压滚压和和热热处处理理后后滚滚 压）压）的不的不同同而不同而不同R9：确定交变
16、应力：确定交变应力 影响螺栓疲劳寿命的主要因素影响螺栓疲劳寿命的主要因素- 当螺栓的最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度也就越高。影响螺栓应力幅的主要因 素是螺栓和被联结件的刚度- 在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下，减小螺栓刚度或增大被联结件的刚度都能达到 减小应力幅的目的- 理论和实践证明：在相同的刚度情况下，恰当增大预紧力FM，也能提高螺栓的疲劳强度，因此较大的螺栓预紧力既保证了传递切向载荷的安全系数，又保证了疲劳寿命R10：确定最大表面压力：确定最大表面压力 螺栓连接的极限可以通过以下假设的动力学强度值来估 算： 先轧制后热处理（SV）： 热处理后进行轧制（SG）： 对螺栓头（螺帽）和
17、另一边被夹紧工件之间的支撑区域 进行校核，应保证计算出来的表面压力不应该超过被夹 紧材料的表面极限压力。 装配状态的条件： 工作状态的条件： 对于使用屈服夹紧技术活角度控制夹紧技术的最大表面 压力，考虑到屈服点分布，使用以下方法计算： 交变安全系数校核： 由于由于螺栓螺栓与与接触面接触面 之间之间的压的压力力有可能有可能 导致接导致接触触面被面被压溃压溃。因此因此必须必须保保证在装证在装 配状配状态时态时和和工作状工作状 态时态时接触接触面面产生的产生的 压力压力都小都小于于许用接许用接触压触压力，力，以以保证接保证接 触面触面安全安全R11：确定最小拧入深度（旋合长度）：确定最小拧入深度（旋
18、合长度） 为了防止由于配合螺纹脱开导致螺纹连接失效，螺栓螺纹和螺帽螺纹必须 要有足够的重合。旋合中的螺栓螺纹的最大张力要小于螺帽螺纹的最大张 力： 这种条件下所需的最小旋合长度Meffmin与公称直径相关。可以参照下图来 确定。R12：抵抗滑动的安全限：抵抗滑动的安全限度度 如果横向载荷通过螺栓连接中的摩擦夹 紧来传递，那可以采用以下方法可以求 得用来传递横向载荷的最小剩余预紧力 Fkrmin和夹紧力Fkqerf。 防滑交变安全系数校核： 当螺栓连接过载时，即横向载荷超过了分界 面的静摩擦力，则需要螺杆与安装孔的接触 来传递载荷，导致产生螺栓剪切应力（SL） 分界面处，螺栓横截面At的剪应力为
19、： 防止剪切作用，要进行交变安全性校核：R13：确定扭紧力矩：确定扭紧力矩在螺栓最大预紧力确定的情况下，螺栓联结各部分的摩擦系数越大所需的 预紧力矩也就越大。考虑到螺栓联结分散系数的影响，一般采用摩擦系数最 小的情况来计算所需的预紧力矩，从而避免预紧力矩过大造成的螺栓失效。VDI2230螺栓设计思路螺栓设计思路（已知）螺栓材料：最大屈服强度（已知）螺栓材料：最大屈服强度确定装配预紧力确定装配预紧力在最大装配力的情况下校验工作状态时的各项安全系数在最大装配力的情况下校验工作状态时的各项安全系数不屈服不屈服不疲劳不疲劳不压溃不压溃不滑移不滑移有限元分析有限元分析 VS VDI2230分析分析应用逻
20、辑应用逻辑操作流程操作流程有限元模型处理有限元模型处理1插入螺栓载荷插入螺栓载荷设置相关参数设置相关参数求解计算求解计算查看螺栓安全因查看螺栓安全因子子/ /计算报告计算报告2345载荷及边界条件设载荷及边界条件设 置置6参数设置参数设置选择螺栓实体选择螺栓实体需包含需包含螺栓实体模螺栓实体模 型；梁型；梁模型下一版模型下一版 本支持本支持（预计（预计2016 年年8月月份发布）份发布）定义相关表面定义相关表面预紧力大小预紧力大小嵌入量大小嵌入量大小螺栓规格螺栓规格螺栓类型螺栓类型通孔盲孔定义螺母类定义螺母类 型型其他参数其他参数螺栓及螺母基于数据库直接选择螺栓及螺母基于数据库直接选择结果评估结果评估安全因子工作应力安全 因子（R8）表面压力安全因子（R10)抵抗滑移的安全因子（R12）疲劳安全因子（R9)R13R13对应的扭紧力矩体现在计算报对应的扭紧力矩体现在计算报 告中告中计算报告计算报告每个螺栓一个计算报告每个螺栓一个计算报告感谢聆听
