连接到精确、高效的装配体分析连载(二)螺栓接头

螺栓接头

以传统方式对销钉接头进行建模和分析可以说非常困难，而螺栓和螺钉接头则更难以模拟。这是因为这种模拟必须考虑螺栓预紧力和剪切力的影响。

COSMOS提供可以处理此类分析问题的虚拟螺栓接头。用户还可以了解螺栓上的轴向反作用力和抗剪反作用力，以确定螺栓大小；还可以确定特定螺栓大小所产生的锁模力以及拧紧扭矩是否足以克服外部载荷。

与前述销钉接头类似，该软件内置了分析智能，设计工程师只需定义几个必需的参数，即可让程序执行复杂的计算。

用户必须定义的参数（图4）包括：与螺栓头接触的法兰面、螺栓杆、螺母（如果该接头为螺钉，则不需要螺母）、螺栓直径、螺栓材料以及螺栓预载。如果用户提供螺栓拧紧扭矩和扭矩系数以确定螺栓螺纹上的摩擦力，该软件可以自动计算螺栓预载。

（图4）—COSMOS要求用户确定螺栓将接触的面、螺栓直径以及材料等项目。利用这些信息，COSMOS就可以计算并给出确定螺栓大小所需的结果。

所有这些输入都可以在一个对话框中完成。在完成求解后，COSMOS会提供以下结果：作用在该螺栓上的轴向力、剪切力以及扭矩（图5）。

（图5）—COSMOS提供轴向力、剪切力以及扭矩等必需的数据以确定螺栓的大小。

COSMOS还可以模拟接地螺栓的特性，例如红绿灯柱（图6）上的螺栓的特性，在这种情况下，螺栓是嵌入到人行道的混凝土中的。对于接地螺栓，COSMOS使用虚拟壁选项模拟混凝土地面，因而减小了分析模型的大小。

（图6）—利用COSMOS中的接地螺栓接头对红绿灯柱虚拟螺栓的特性进行建模。

虚拟螺栓接头不提供关于螺栓/螺母上应力分布的数据，但提供螺栓对相邻零件或整个装配体的影响。如果螺栓/螺母上的应力分布非常重要，用户可以在对螺栓特性进行建模的时候包含螺栓和螺母的实体模型，然后使用接触条件而不是虚拟螺栓接头进行建模。

与销钉接头一样，COSMOS利用横梁单元（图7）对螺栓杆进行建模，该横梁单元通过刚性杆单元连接到螺栓头和法兰之间的接触面。螺栓杆的另一端通过另一组刚性杆单元连接到螺母和法兰之间的接触面。该软件通过对横梁应用轴向力对螺栓预载进行建模。此处使用的横梁单元是一个只承受张力的单元，它只抗张力而不抗压力。如果螺栓杆直径与法兰上的孔直径相同（即紧密配合），该软件则会通过连接法兰孔面和螺栓杆之间的刚性杆单元对抗剪效应进行建模。

（图7）—如插图所示，螺栓特性通过横梁单元和杆单元进行建模。横梁单元应由杆单元连接到螺栓接触面上的所有节点。需要对螺母接触面上的所有节点重复相同的过程。

由于这些连接横梁和法兰面的刚性杆，螺栓/螺母区域附近的应力可能不太准确。但是，这种影响会逐渐减小，直到在距螺栓表面1个螺栓直径左右的区域内几乎完全消失。

现实中的螺栓接头

美国加利福尼亚的ForceMeasurementSystem(FMS)公司制造用于测试马达和喷气飞机引擎的推力试验台。该试验台由高精度机械零件通过螺栓连接到一起形成整个系统。最近，FMS的一个客户要求查看推力试验台中每个螺栓的安全系数。

过去，要完成这种工作，FMS的首席工程师ScottMcFarlane必须按弹簧单元对螺栓进行建模，以获得力的数据并使用螺栓预载建立模型，这是一系列需要耗费大量时间的任务。

“以前没有一种轻松的功能可以让我说‘我需要将螺栓拧到这个预载值’。我不得不做许多枯燥的数据输入工作。但COSMOS虚拟螺栓接头非常简单并且易于使用”，McFarlane说，“我只花了三个小时用虚拟接头在COSMOS中建立我的模型，而以前这需要两到三天的时间”。