3-7 螺栓联接结构的三维有限元数值模拟方法及应用

　　随着有限元数值分析手段的发展，国内外对螺纹螺栓联接结构的力学分析也在不断深入，在研究方法及其应用方面都有一定数量的成果。但由于在作螺纹螺栓联接结构的数值计算时大都没有考虑螺牙的实际结构特征，而是将其近似处理为轴对称的，因此计算精度难以保证。为了提高计算分析精度及相应的结构设计精度，作者以螺栓 －法兰结构为例，研究了螺纹螺栓联接结构的三维数值模拟方法。

　　采用MARC程序，首先研究了螺纹螺栓及螺母的三维有限元建模方法，其中所建立的三维有限元模型如图1所示。然后研究了诸如螺栓之类预紧结构的有限元分析中的预紧方法，在已有的横截面法、预置接触容限法(过盈法)和 升－降温法基础上，提出了升－降载荷法。横截面法只用来实现预紧，不能用来分析螺栓本身的应力和变形。升－降温法要采用热力耦合计算，收敛相对要慢，且若问题本身与温度相关时，计算显得繁琐。预置接触容限法是事先让两接触面处于过盈状态，并取定适当的接触容限，由程序直接将该过盈状态识别为接触状态。升－降载荷法法也是事先让两接触面处于过盈状态，在其中一个面上施加面压力将其压回，消除过盈，释放面压力使两个面达到接触。该方法与预置接触容限法类似，但计算过程中的操作不 同，计算更易收敛。同时采用有限元法计算了螺栓－法兰接连结构的力－变形关系。进一步认识了这一变形特征的力学机理进行，指出螺栓联接结构的力－变形曲线特性主要是因为外力作用下法兰中的残余预紧力和其横向作用面积同时减小所致，而接触面的粗糙不平不是直接原因。这与有关文献中的解释不同。

　　最后采用螺纹螺栓联接结构的三维数值模拟方法计算了螺纹螺栓的变形和应力分布，给出了如图2所示连接结构上的等效应力等结果。分析表明，在拉伸载荷下，螺栓联接结构中的最大等效应力在螺栓上螺纹段靠近螺母受载端面一侧的牙谷位置，且该部位等效应力高度集中，螺栓容易在此处断裂。