Ansys Mechanical｜紧固件分析技术

紧固件在航空航天，汽车，通用机械，桥梁，家电等多种行业有着十分重要的应用。在仿真中，如何能准确且高效地对其进行仿真，对各个行业有着非常重要的意义。今天就和大家聊一聊在Ansys Mechanical中的紧固件分析技术。

在实际应用中，紧固件有着多种连接方式，包括但不限于以下种类：普通螺栓连接、铰制孔用螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接、地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T型槽螺栓连接。

接下来是紧固件材料。螺栓、螺钉和螺柱会采用不同等级的钢材进行制造，不同的等级对应的材料属性也有差异，我们在仿真紧固件时需要注意材料对仿真结果的影响。

一般情况下，螺栓会给定一个扭矩载荷，但是在仿真中，需要对螺栓施加预紧力载荷。

国内国际对于紧固件在设计上都有相应的设计规范。

下面是在ANSYS中，对于紧固件的建模及仿真思路。我们可以对螺栓螺母有多种形式的建模思路。

1） 3D模型，将螺栓细节全部体现在模型中。

2） 3D模型，螺栓螺母的螺纹简化为圆柱。

3）3D模型，螺栓螺母的螺纹简化为圆柱，但是通过参数对螺纹进行校正。

4） 3D模型，螺栓螺母均简化为圆柱，这样可以划分高质量的结构化网格。

5）3D模型，螺栓螺母均简化为圆柱，这样可以划分高质量的结构化网格，采用圆柱运动副的方式施加转角载荷。

对于前四种方式，可能会遇到螺栓存在大位移、大旋转的问题。2020R1中对MPC184单元在该种情况下有了比较大的改善，当大位移和大旋转发生。

6）Beam单元模型，利用梁单元模拟螺栓，法兰上切割出环状实体模拟接触。

7）Beam单元模型，直接通过MPC连接法兰实体单元。

8） Beam单元模型，不需要建立Line几何，直接edge与edge连接。

对于紧固件而言，在有限元模拟中，最主要的载荷就是预紧力。Ansys Mechanical 有3种方法施加预紧力。

对于不同的紧固件的建模方案，对应的预紧力施加需要对应选择。

对于不同建模方案，结算结果基本上是一致的。具体就需要看具体仿真关注的位置，如果需要关注螺栓与法兰面，则需要3D模型方案，如果只关注螺栓体本身，可能Beam方案也能够满足我们的需求。下面我们看一下3D建模和Beam建模的结果对比。

下面是不同方法的比较。

Ansys ACT APP Store中也有紧固件相关的ACT，有需要的同学可前往下载。