ANSYS螺栓仿真校核技术专题课件

ANSYS螺栓仿真校核技术专题技术创新

变革未来ANSYS螺栓仿真校核技术专题技术创新变革未来1CAE仿真分析发展-----系统VS细节CAE当前发展充满辩证思想系统VS细节宏观VS微观单场VS多场焊缝Multi-LevelMulti-ScaleMulti-DisciplinaryQcell1Qcell2Qcell3Qcell4Qcell5Qcell6Qcell7Qcell8Qcell9Qcell10Qcell11Qcell12Qcell13Qcell14Qcell15Qcell16Temp_block_1Temp_block_10Temp_block_11Temp_block_12Temp_block_13Temp_block_14Temp_block_15Temp_block_16Temp_block_2Temp_block_3Temp_block_4Temp_block_5Temp_block_6Temp_block_7Temp_block_8Temp_block_9单机

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云平台

Multi-Platform通用软件

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专业分析系统

Multi-Paas纯校核

VS设计---制造

Multi-stageCAE仿真分析发展-----系统VS细节CAE当前发展充满辩2目录螺栓失效及校核方法螺栓处理方式及ANSYS操作技巧螺栓处理方式ANSYS操作技巧基于VDI2230的螺栓强度及疲劳分析工具VDI2330简介Bolt

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Ansys简介实例演示目录3细节结构VS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、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；溶剂粘接细节结构VS连接连接分类机械连接铆接、螺栓连接、键销连接、弹4螺栓连接螺栓连接形式螺栓连接螺栓连接形式5螺栓连接螺纹设计输入螺栓连接螺纹设计输入6螺栓连接失效模式与相关试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；螺栓相关试验螺栓连接失效模式与相关试验螺栓连接失效形式7螺栓相关仿真分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

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分析螺栓相关仿真分析螺栓相应仿真分析分析类型分析目的1螺栓连接刚8目录螺栓失效及校核方法螺栓处理方式及ANSYS操作技巧螺栓处理方式ANSYS操作技巧基于VDI2230的螺栓强度及疲劳分析工具VDI2330简介Bolt

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Ansys简介实例演示目录9螺栓失效及校核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：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；螺栓失效及校核螺栓模拟问题比较复杂：模拟方法：可以施加螺栓预10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；工作载荷；载荷步1：预紧力施加（preload

oradjustment）-

（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过程在模拟螺栓过程中需要考虑的方面：11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（1）法兰结构，螺栓及螺母采用真实螺纹形式进行模12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（2）法兰结构，螺栓及螺母采用实体进行模拟，但移13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（3）几何结构与处理方式（2）相同14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（4）几何结构处理相对复杂，进行切分，可以进行扫15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cylindricaljoint的方式定义通过插入命令将joint

修改为screw

joint，并定义节距螺栓处理方式（5）几何及网格与处理方式（4）相同16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（6）对螺纹进行分析，但是不对螺纹进行建模对啮合17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（7）螺栓几何用线单元代替实体18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，螺栓杆与法兰螺栓孔上下线绑定连接螺栓处理方式（8）螺栓几何用线单元代替实体19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（9）通过Body-Body插入Beam20螺栓处理方式螺栓处理方式21目录螺栓失效及校核方法螺栓处理方式及ANSYS操作技巧螺栓处理方式ANSYS操作技巧基于VDI2230的螺栓强度及疲劳分析工具VDI2330简介Bolt

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Ansys简介实例演示目录22VDI2230准则发展历程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项参数，更大限度的把经验值进行理论化INPUTSJoint

diagramStressanalysisR0:初步确定螺栓公称直径，核算其使用范围R1:确定扭紧系数R2:确定最小残余夹紧力R3:求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数R4:计算因嵌入产生的预紧力损失量FZR5:计算最小装配预紧力R6:计算最大装配预紧力R7:装配应力R8:工作应力R9:变应力R10:表面压强R11:最小拧入深度R12:抵抗滑动的安全限度R13:求扭紧力矩VDI2230准则发展历程与常规方法的区别INPUTSJoi23R0：初步确定公称直径确定名义直径d和检查限制的尺寸GR0：初步确定公称直径确定名义直径d和检查限制的尺寸G24R0：初步确定公称直径确定名义直径d和检查限制的尺寸G名义直径通常根据表格A7来决定在第一栏中选择与作用于螺栓连接的负荷接近的最大的作用力；如果在组合负荷（纵向载荷及横向载荷）时，FAmax<FQmax/

μTmin,则只使用FQmax得出必须的最小预紧力FMmin如果使用FQmax进行设计：静态或动态载荷作用力时向下4格如果使用FAmax进行设计：动态并且偏心的轴向作用力时朝下2格；或：动态并且同心或静态并且偏心的轴向作用力时朝下1格；或：静态并且同心的轴向作用力时就使用这个数值基于FMmin,得到需承受的最大预紧力FMmax:使用可通过拧紧扭矩进行调整的简单的旋转式螺钉机拧紧时向下2格或者：使用扭矩扳手或精密的螺钉机（使用动态扭矩测量或螺栓的伸长测量进行调整）拧紧时向下1格；或者：在弹性变形的范围中通过控制角度拧紧或使用控制屈服点（通过计算机控制）拧紧时就使用这个值除了找到数值外，在第2~4栏中还有所选择的螺栓强度等级时必需的螺栓尺寸；R0：初步确定公称直径确定名义直径d和检查限制的尺寸G25R0：初步确定公称直径实例：一个螺栓连接由于轴向作用力FA=8500牛顿而承受动态负荷及偏心负荷；强度等级12.9的螺栓应使用扭矩扳手安装；10000牛顿是第一栏中最接近的更大作用力FA偏心及动态轴向作用力时朝下2格，FMmax=25000牛顿用扭矩扳手拧紧时朝下1格，得出FMmax=40000牛顿FMmax=40000牛顿时，在第2栏中（强度等级12.9）得到：M10R0：初步确定公称直径实例：一个螺栓连接由于轴向作用力FA=26R0：初步确定公称直径及接合面的极限尺寸限制条件R0：初步确定公称直径及接合面的极限尺寸限制条件27R1：确定扭紧系数αA图

螺栓拧紧系数和表面嵌入的影响

在实际装配中由于施加和调整预紧力的方式不同造成了所得的实际预紧力的不同，为了考虑这种分散性对得到的预紧力的大小的影响，以拧紧系数来表征初始预紧力FM：受拧紧方法和连接条件的影响，初始预紧力有个区间【

FMmin------FMmax]】拧紧系数aA：

aA=Fmmax/Fmmin螺栓预紧最恶劣的工况：在最小预紧力FMmin的情况下，还出现由于被连接件的表面粗糙造成嵌入变形fz，使螺栓的实际预紧力FV只有FKR1：确定扭紧系数αA图螺栓拧紧系数和表面嵌入的影响 在实28R1：确定扭紧系数αA高强度螺栓扭矩系数的确定（由式6可知，螺栓拧紧力矩分为三部分）第一部分由升角产生，用于产生预紧力，螺距的影响主要体现在这一部分第二部分由螺纹副摩擦产生，影响因素有摩擦系数和牙型角第三部分由支撑面摩擦产生，影响因素主要为摩擦系数和垫圈的几何尺寸R1：确定扭紧系数αA高强度螺栓扭矩系数的确定（由式29R1：确定扭紧系数αA根据表格A8，扭紧系数αA考虑了可以达到的FMmin和Fmmax装配预加载。当考虑扭紧和调整技术和如果需要摩擦系数等级（表格A5）对于屈服和角度控制扭紧，根据表格A8扭紧系数αA是由αA=1代替R1：确定扭紧系数αA根据表格A8，扭紧系数αA考虑了可以达30R1：确定扭紧系数αAR1：确定扭紧系数αA31R2：确定最小残余夹紧力Fkef确定所需的最小夹紧载荷Fkerf时应满足如下条件：需考虑下列三类要求：FKQ为满足抗剪要求的最小预紧力，由摩擦传递横向载荷FQ和相对螺栓轴线的扭矩MY共同确定R2：确定最小残余夹紧力Fkef确定所需的最小夹紧载荷Fke32R2：确定最小残余夹紧力Fkef需考虑下列三类要求：FKP为保证密封功能的最小夹紧力，中等密封要求时应符合如下条件：FKA为预防结合面分离的最小夹紧力，与其相关的包括轴向的分载荷FA和螺栓位置的有效扭矩MB，在偏心受载的情况下，应符合以下条件：R2：确定最小残余夹紧力Fkef需考虑下列三类要求：FKA为33R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数34R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数关于载荷导出（引入）系数R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数关于载荷导35R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数不同受载方式下螺栓与被连接件的柔度螺栓的轴向柔度螺栓的弯曲柔度被夹紧件的柔度螺栓的轴向柔度假设螺栓材料的弹性模量为ES，则在力F的作用下，单个要素的伸长量为因此，一个圆柱体单要素在轴线方向的柔度为：R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数不同受载方36R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数螺栓的弯曲柔度被夹紧件的柔度R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数螺栓的弯曲37R3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数载荷系数（即相对刚度）在理想螺栓与被连接件的支承面上（即没有相互嵌入），载荷系数与螺栓和被连接件的刚度关系如下：引入载荷引入系数np（即考虑支承面几何特征影响），则上式表述为：对于偏心夹紧的螺栓连接，其载荷系数的计算为：载荷偏心的情况下，载荷系数的计算公式为：载荷引入系数nR3：求工作载荷、弹性柔度、弹性回复和载荷导出系数载荷系数（38R4：计算因嵌入产生的预紧力损失量FZ影响预紧力的因素其他螺栓的紧固接触表面的嵌入旋转导致的松弛使用过程中出现材料的疲软、温度的变化以及连接的过载等嵌入热应力R4：计算因嵌入产生的预紧力损失量FZ影响预紧力的因素其他螺39R5：计算最小装配预紧力考虑到预加载荷变化和假设连接最大可能的解除，可以得到需要的最小的装配预紧载荷。R5：计算最小装配预紧力考虑到预加载荷变化和假设连接最大可能40R6：计算最大装配预紧载荷R6：计算最大装配预紧载荷41R7：确定装配应力和许用最大预紧力及校核螺栓尺寸根据标准DIN

EN

ISO

898-1，取螺栓屈服点Rp0.2min的一部分（通常为90%），作为装配状态下考虑到预加载荷变化和假设连接最大可能的解除，可以得到需要的最小的装配预紧载荷。R7：确定装配应力和许用最大预紧力及校核螺栓尺寸根据标准DI42R7：确定装配应力和许用最大预紧力及校核螺栓尺寸R7：确定装配应力和许用最大预紧力及校核螺栓尺寸43R7：确定装配应力和许用最大预紧力及校核螺栓尺寸如果螺纹上的摩擦系数μG和螺栓头（或螺母）的支撑面上的摩擦系数μK不明确，则可以通过下面给出的参考材料来确定。螺栓合格性判断：根据所得的装配预紧力判断螺栓是否合格如果不能满足要求，则要选择更大的螺栓公称直径，并从第二步开始重新计算。若不能选择更大的公称直径，则需采取其他措施，例如，选择更高的强度等级的材料或其他装配方式，减小摩擦力或外载荷，或者改变设计R7：确定装配应力和许用最大预紧力及校核螺栓尺寸如果螺纹上的44R8：确定工作应力对于在载荷范围内未超过螺栓屈服点的螺栓连接，可以使用以下方法确定载荷和应力。工作状态时，螺栓总载荷Fsmax可以用以下方式计算：确定螺栓轴向最大拉应力：最大扭应力：在工作情况下，对扭应力乘以系数Kt以减小其对总应力的影响（推荐Kt=0.5）校核校核总应力是否满足要求：或者定义一个安全系数，以防应力超过屈服点：对于扭应力完全损失的情况，选用以下公式校核：R8：确定工作应力对于在载荷范围内未超过螺栓屈服点的螺栓连45R9：确定交变应力同心加载的情况：其中，Fsao,FSAU为最大，最小的外载，AS为螺栓的应力截面。偏心加载时，交变应力：其中σ

SAbo，

σ

SAbu为外载荷作用下螺栓的最大，最小应力螺栓安全性校核公式：对于受压横截面上交变周期的数值>=2*e6的高强度螺栓连接，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）此部分主要是校核螺栓的疲劳强度保证螺栓工作时的应力幅小于许用应力幅许用应力幅根据加工方式（热处理前滚压和热处理后滚压）的不同而不同R9：确定交变应力同心加载的情况：其中，Fsao,FSAU为46R9：确定交变应力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R9：确定交变应力影响螺栓疲劳寿命的主要因素47R10：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：由于螺栓与接触面之间的压力有可能导致接触面被压溃。因此必须保证在装配状态时和工作状态时接触面产生的压力都小于许用接触压力，以保证接触面安全R10：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48R11：确定最小拧入深度（旋合长度）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