螺栓连接对连接刚度的影响

在整机振动分析过程中经常出现存在大量钣金件通过螺栓连接的情况，螺栓连接的位置可能多大几百处，为了建模效率经常在搭建模型的时对其进行简化，螺栓较多时为了节省时间会直接用节点耦合的方式代替螺栓连接，数量较少时会将螺栓简化为梁单元，但是简化对螺栓连接必然会对被连接件之间的连接刚度造成影响，本文通过几个简单模型对比来看不同的连接方式到底会对连接刚度造成多大程度的影响。

下面是一个螺栓连接的两个钣金件，分别通过静力学和模态分析来对比它们连接刚度。

1.将螺栓绑定接触连接

第一种方式是将螺栓及其与钣金接触的面之间建立线性接触，即ANSYS里面的绑定接触，这样等效为将两个钣金件在接触的位置进行了节点耦合，接触位置分别为螺栓与螺母之间、钣金之间、螺母与钣金之间、螺钉与钣金之间。

在L板侧面两个孔施加固定约束（A处），在螺栓上分别施加500N的螺栓预紧力（B），在直板的D处施加板厚度方向上的1mm位移，计算单位位移下的反作用力，以此来计算变形刚度。

2.将螺栓按照非线性接触连接

固定约束和位移边界条件与1中相同，在螺栓处建立非线性接触的摩擦接触，摩擦系数为0.1，但是螺母与螺栓要依然建立绑定接触，螺栓预紧力分别设置为250N、500N和800N。

3.模态分析

分别计算预应力模态分析和直接模态分析，直接模态分析是将螺栓处的接触全部设置为非线性接触（即使设置为非线性接触软件也会在模态步自动转化为线性接触计算模态，因为模态只能进行线性计算）；预应力模态分析为先进行静力学计算，静力学计算为螺栓按照线性接触设置，分别施加不同螺栓预紧力。

4.结果对比

以静力学结果对比不同建模方式下的结构刚度，以非线性接触下500N螺栓预紧力为基准，因为非线性接触是最接近实际连接结构的。螺栓预紧力对装配体的弯曲刚度影响不是很明显，将接触改为线性接触后结构的弯曲刚度增加了32.8%，可见线性接触会明显增加结构的刚度。关于螺栓预紧力请点击链接参考《螺栓预紧力》一文。

下面对比模态分析的结果。

虽然根据结果不同建模方式下第一阶固有频率会存在差异，但是需要明确的是，在对上述进行模态分析时对两个钣金接触面建立接触是不合理的，因为无论建立

         

  

线性接触还是非线性接触，在模态计算是都是按照绑定来计算的，而实际上两个钣金在发生压向变形时是符合绑定情况的，因为在接触面一个钣金会限制另一个钣金变形，但是两个钣金发生相反方向变形时一个钣金只会在螺栓处限制另一个钣金变形，而不是通过接触面限制另一个钣金变形，有点类似在接触面存在法向可分离。

所以在模态建模时，针对上述结构最好不要用接触的方式，而是在螺栓孔处将螺母覆盖的节点通过节点耦合连接起来或者连接到一个螺钉上，这样可以尽可能的保留原始结构的刚度。