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Jephin Lam，熟练使用有限元仿真CAE（Abaqus、ANSYS、HyperMesh、FloTherm、FloEFD）和CAD（Solidworks、CATIA、NX UG、ProE、Creo、Auto CAD）等软件、对机械结构设计、电子结构设计和仿真具有多年的经验。
一、螺栓（螺钉）预紧力计
螺栓帽或螺母的预紧力矩为T=Kd*F0（N•mm）
式中，d——螺纹公称直径（mm）
F0——预紧力（N）
K——拧紧力矩系数（无量纲）
拧紧力矩系数K值表
摩擦表面状态 | K 值 |
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| 有润滑 | 无润滑 | 精加工表面 | 0.10 | 0.12 | 一般加工表面 | 0.13~0.15 | 0.18~0.21 | 表面氧化 | 0.20 | 0.24 | 镀锌 | 0.18 | 0.22 | 干燥加工表面 | —— | 0.26~0.30 |
螺栓的预紧力为
碳素钢螺栓F0=（0.6~0.7）σs As(N)
合金钢螺栓F0=（0.5~0.6）σs As(N)
式中，σs——螺栓材料的屈服强度（MPa）
As——螺栓公称应力截面积（mm2）
而，As=（π/4）*（（d2+d3）/2）2
式中，d2——外螺纹中径（mm）
d3——螺纹的计算直径，d3=d1-H/6，其中H为螺纹原始三角形高度（mm）
d1——外螺纹小径（mm）
二、有限元分析
（1）建立有限元模型
模型采用M2螺栓，M2螺栓的应力截面积为2.07 mm2，对于普通碳素结构钢材料，如SWRCH10，性能等级按3.6，则其公称屈服强度σs=180Mpa，预紧力为F0=0.6*180*2.07=224N，而预紧力矩则为T=0.22*（2/1000）*224=0.1 N•m
本算例利用Abaqus CAE创建有限元分析模型，模型中的6个螺栓连接点，分别采用5种类型的连接方式，支架下端约束6向自由度，由于动力性分析项目居多，这里以模态分析的结果作为目标进行对比分析
（2）模型类型及分析结果
1、One KCoup
采用单个控制点的KCoup耦合约束，属于最简单的耦合约束。
优点：前处理耗时最短，计算时间也相对最少。
模态分析结果：
2、KCoup+Beam+KCoup（或MPC+Beam+MPC）
采用两个控制点的KCoup（或MPC）耦合约束，两控制点之间创建Beam刚性连接器。
优点：前处理耗时比较短，计算时间也相对较少。
模态分析结果：分析结果和One KCoup约束一致。
3、KCoup+B31+KCoup
采用两个控制点的KCoup耦合约束，两控制点之间创建B31单元，即梁单元，单元截面直径为2mm，选择螺栓材料，使B31单元的尺寸、刚度与3D螺栓相似，同时也弥补了螺栓质量的损失。
缺点：前处理耗时较多，计算时间也相对也长。
模态分析结果；
4、KCoup+B31+KCoup+预紧力
该约束类型是在KCoup+B31+KCoup基础上，创建了预紧力分析步和面接触对，并在B31单元上加载了224N预紧力。
缺点：前处理比KCoup+B31+KCoup更耗时，计算时间相比也增加.
模态分析结果：
5、3D螺栓+预紧力
创建3D螺栓模型，尺寸为M2，施加预紧力224N，需要创建预紧力分析步和面接触对，该模型最接近螺栓接触约束真实模型（螺纹模型细节仿真除外）。
缺点：前处理耗时最长，计算时间也相对最多。
优点：仿真结果最接近真实模型。
模态分析结果：
（3）结果数据对比分析
对比5种螺栓连接约束模型的分析结果（上表所示），其余4种简化模型分析结果相对于3D螺栓结果的偏差率大多数在1%左右，可认为精度在3%内；
One KCoup类型和KCoup+Beam+KCoup类型计算结果一样；
KCoup+B31+KCoup中，B31单元保留了螺栓的刚度和质量，结果更接近3D螺栓模型；
KCoup+B31+KCoup+预紧力中，B31单元加载了预紧力，刚度相对无预紧力的大，所以分析结果的频率相对无预紧力的大。
三、结论
综合5种螺栓连接约束模型的分析结果，有如下结论：
1)如果模型中螺栓/钉连接处较多，且螺栓/钉相对模型尺寸比较小（M2左右），采用One KCoup类型；
2)如果模型中螺栓/钉连接处较少，且螺栓/钉相对模型尺寸比较大，螺栓质量在动力性分析中不可忽略时，则采用KCoup+B31+KCoup类型；
3)如果模型中螺栓/钉连接处较多，且螺栓/钉质量不可忽略时，则可调整模型零部件的密度，弥补螺栓质量损失，同时采用One KCoup或KCoup+Beam+KCoup类型创建连接；
4)在模拟单个或几个螺栓/钉的连接情况，且需要关注螺栓连接细节时，则采用3D螺栓+预紧力类型。
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发表于 2019-11-11 08:02:34