01 前言
前文通过一些实际现象应该能够让大家认识到:螺纹连接的力学行为比表面上看起来更加复杂,因此要使用数值仿真工具对其进行合理地分析并不容易
但不幸的是,这种连接方式恰恰在实际中使用非常广泛,并且很多时候出现在主传力路径上,因此进行装配体分析,不可避免需要与大量的螺纹连接打交道
虽然笔者目前对于螺纹连接的处理仍然存在一些困惑,但仍希望借文章形式就目前的部分想法和大家进行交流和探讨
内容仅代表个人观点,希望大家有选择性地参考
02 简化思路
为什么简化?
有些小伙伴可能会困惑:“实体螺栓+接触(不考虑螺纹)”多么完美的处理方式,还有必要简化么?
回答当然是肯定的,主要有几点原因:
①复杂装配体动辄成百上千的螺栓连接,大量的螺栓连接直接导致费时的接触对创建工作
有伙伴会说:现在很多软件可以使用批处理,自动识别接触对或者通用接触大幅度缩减这部分工作量
但是👇
②螺栓连接涉及接触非线性问题,非线性的引入使得求解需要迭代,对于大型装配体,其调试成本,计算时间不容小觑
有伙伴会说:公司电脑搁那放着,啥时候算完啥时候提取结果,并且用显式动力学不存在接触收敛问题
但是👇
③显式动力学虽然不存在接触收敛问题,其对网格尺寸相当敏感,而螺栓局部特征相对于整体一般较小,直接导致计算量拉跨
有伙伴会说:上超算,开并行,再大计算量都不是问题
但是👇
④大部分结构动力学分析基于线性动力学体系,也就是说模态分析,谐响应分析,线性瞬态分析,随机振动分析,谱分析都不能考虑非线性效应
有伙伴会说:将螺栓预紧后的状态作为预应力考虑到后续线性动力学工况中
确实这样在一定程度上是可行的
但是从个人角度,最关心的还是计算量及前后处理的便捷性,因此大部分时间还是会考虑对螺栓连接进行进一步等效处理
简化什么?
如图所示,螺栓体系主要包含变形行为(螺栓变形+被连接件变形)以及接触行为(螺母接触+螺栓头接触+螺纹接触+螺母接触等)
其中变形行为反应了螺栓体系受到外力作用后的变形情况,对应螺栓体系的等效刚度,主要包含螺栓等效刚度和被连接件等效刚度
接触行为反映了螺栓体系之间的连接关系,对应接触面之间的粘合,分离及滑移
因此螺栓连接体系简化的核心就是:使用各种单元或者连接关系来等效替代真实的连接刚度及连接关系
怎么简化?
首先,螺栓完成拧紧之后,如果没有发生旋转型松动,螺栓与螺母啮合螺纹之间理论上相对滑移量较小,可以使用绑定接触替代
其次,由于摩擦型螺栓要求外载作用下不发生分离和滑移,因此螺栓头→被连接件,螺母→被连接件实际行为也类似于绑定接触
一旦可以使用绑定接触考虑问题(线性问题),那么约束方程,耦合,各类连接单元都可以引入进来,这样问题的核心就只剩下如何合理等效连接体系刚度
最后,被连接件未分离之前,轴向连接刚度基本呈现线性关系;切向刚度由于摩擦阻力作用因此可以不进行考虑;弯曲刚度相对较为复杂,与工况和模型相关并呈现显著非线性行为
而刚度的等效可以使用弹簧单元,cbush单元,梁单元以及实体单元
这样,整个简化的初始思路基本就确定了,下面需要做的就是将各种方案进行对比验证,得到各自使用的精度和条件
按照前文思路,分别从连接关系及连接刚度两方面进行探讨
注意的问题?
需要注意的是,不管采用何种简化方案,最终目的一般有两个:
①合理等效连接行为,使其不影响整体计算精度
②合理选取等效方法,使得后处理更便于提取校核相关参数
因此进行等效时,一定要根据实际需求围绕这两点进行,不能单纯为了等效而等效
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未完待续
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