紧固连接系统的有限元建模与仿真思维精讲

课程详情

课程简介

我们针对工程技术人员在紧固连接系统仿真方面的需求，将向您传授紧固连接系统的精确有限元建模方法与仿真流程。通过深入的案例分析和实践操作，我们将帮助您理解从全局到局部的仿真分析思路，掌握如何利用精确模型进行装备结构的优化设计和性能评估。您将通过学习典型的简化建模仿真方法以及精确有限元建模技术，能够应对复杂装备结构的仿真挑战，提高工作效率并降低开发成本。

通过本课程的学习，你将能够：

- 了解紧固连接仿真的基本概念和思路；

- 掌握从全局到局部的仿真分析流程；

- 掌握螺纹部件高效精确建模方法并能够进行螺纹轮廓几何参数分析和网格划分；

- 掌握基于精确模型的仿真分析步骤，包括前处理、结果解读等；

- 通过实战演练，能够将理论知识应用到实际工程问题中，提高解决问题的能力和效率，为公司的技术创新和产品优化提供有力支持。

- 简单学习运用螺纹精确有限元模拟结果进行VDI 2230指南的重要参数求解方法，提升设计校核精度；

- 获得紧固连接系统的精确有限元建模方法与仿真分析课程的结业证书，为你的职业发展增添一份亮点。

如果你想要成为一名优秀的设计师和仿真专家，那就赶快报名参加本课程吧！

课程安排

课程内容

紧固连接仿真导论

紧固连接仿真是什么？如何从全局到局部（从一个大的装备系统，进行全局仿真，提取连接结构的受力，再到单个螺栓组的仿真分析，进一步到单螺栓的精确仿真分析）？

紧固连接模型分为两种：简化模型与精确模型；

简要介绍仿真模型发展历程与优缺点、适用情况：

1. 节点耦合模型

2. 梁单元模型；

3. 双线性弹簧模型；

4. “工”字型三维圆柱体模型；

5. 二维无升角螺纹部件轴对称模型；

6. 三维无升角螺纹部件轴对称模型；

7. 四面体单元模型；

8. 粘接六面体模型；

9. 带螺纹升角的六面体单元精细模型。

简单介绍Thread Designer软件功能和优势。

通过案例对比（需要先做个案例），来说明简化模型与精确模型的优劣势：

1. 模拟装配过程，研究拧紧策略、螺栓参数等对拧紧过程带来的影响，高效低成本获得最佳拧紧策略。

2. 模拟松动行为，便于分析螺栓的松动机理与防松措施，快速便捷获得较优防松策略。

3. 计算螺纹应力集中情况，快速精确判断静强度、疲劳强度等是否达标，提升结构安全性。

4. 指导结构仿真中的节点耦合、梁单元、工字梁等工程常用简化方法的方法选择与参数确定，提升设计精度，提高装备可靠性；

5. 结合VDI 2230等指南进行更精确的连接系统设计与校核工作，降低工程风险。

紧固件参数化精确有限元建模方法

1. 螺纹轮廓几何参数分析：通过理论推导过程，获得国标米制螺纹的几何特征，并推导柱坐标系下的分段函数表达式。

2. 网格划分和过渡网格绘制：以某公称直径的螺栓和螺母几何尺寸，建立三维模型并导入有限元分析软件中，以六面体单元为主的方式进行有限元模型网格划分。三维建模环节的注意点：螺栓和螺母的中心点选取、轴线选取、螺栓光杆的等效直径计算等。根据螺纹轮廓几何特性，介绍啮合螺纹段及其附近区域的网格细化规则，以保证有限元模型中螺纹轮廓的精确性。网格细化规则：一个螺距的螺纹段轴向和周向网格划分数目。为降低有限元模型单元数量同时保证数值分析精确性，对紧固件螺纹部分和非螺纹部分之间的网格需进行过渡处理。螺栓和螺母纵截面和横截面的过渡网格绘制大致分为3→1和4→2两种形式。

3. 参数化建模方法：螺纹类部件参数化建模方法流程介绍：有限元软件中生成的inp文件的节点数据和单元数据组成形式。如何将inp文件中节点数据从笛卡尔坐标形式转变为柱坐标形式。根据螺纹轮廓分段函数表达式实施节点数据更新。螺纹段内部、螺纹段和光杆段的节点坐标过渡算法。通过MATLAB编程，读取inp文件中的节点信息，并进行节点坐标变换、节点调整等操作，更新inp文件节点数据。

4. 螺纹类部件有限元模型高效生成(Thread Designer推广)

高精度六面体单元带螺纹升角的螺纹模型的不足之处：手动绘制网格，繁琐且复杂，对工程技术人员要求高。针对上述问题，Thread Designer软件为工程技术人员解决的关键性难题。Thread Designer软件可提供的其他螺纹类部件。各类数值仿真结果视频介绍和数据图展示，做为第二天课程的引子。

基于精确模型的仿真分析步骤（前处理）

1. 部件模块：模型导入、建立参考点、参考轴线。

2. 材料属性的定义。

3. 装配模块：螺栓和螺母的装配、不同配合精度的螺纹部件装配方法、检查和避免几何干涉。

4. 接触建立：多螺栓连接连接各接触面选取方法、命名方式。接触行为定义：法向接触和切向接触行为定义。接触设置及其对计算结果的影响。

5. 分析步设置：外载荷为正弦函数时，增量步设置注意事项。

6. 载荷施加：

螺栓预紧力施加方式：Bolt Load法、转角法(旋转螺母或螺栓头)、扭矩法加载。

转角法加载时的预紧力控制方法：线性插值法。

双螺母类螺栓连接的加载方式和预紧力优化方法：普通双螺母、HardLock偏心双螺母、唐氏螺栓配合左旋和右旋螺母。

施加外载荷时，对于螺栓预紧力的处理方式。

外载荷为正弦函数时的定义方式。

7. 网格划分：带螺纹盲孔的网格划分、通孔处与螺栓或螺母支承面接触区域的网格处理方式。过渡网格的手动划分方法。

8. 提交计算：计算任务的命名方法、保存路径设置等。

精确仿真后处理与结果解读

判断静强度、疲劳强度等是否达标，计算安全系数。

获取不同加载方式的螺栓轴向力分布规律、各圈螺牙承载力和承载力变化。获取连接结构整体响应曲线、螺栓预紧力变化曲线、螺纹牙底等效应力和等效塑性应变、各圈啮合螺纹牙侧面接触应力分布情况。

啮合螺纹面、螺栓头或螺母支承面等效摩擦直径的计算。

通过带升角的螺纹模型、无升角螺纹模型、定义材料力学性能和界面摩擦系数等方式实现变量分离，研究单一因素影响下的螺栓连接旋转松动行为和非旋转松动行为(材料弹塑性变形、接触界面应力重新分布等)。

(深度)外部激励作用下螺栓连接结构各界面接触状态演变过程、摩擦耗散能、连接结构滞回曲线、各个连接界面切向接触行为响应曲线。

精确仿真实战演练

引导学员将实际中的复杂问题进行简化和抽象，通过有限元分析解决实际工程问题。通过简单算例使学员掌握运用小规模(螺栓和螺母单元数目总计10万以内)的螺纹类部件精密有限元模型进行数值分析。算例能够充分体现模型优势：能够查看螺纹牙底等效塑性应变，能够计算螺栓连接旋转松动行为(横向剪切载荷和扭转激励)。最终，学员通过自己操作完成一次有限元计算，获得成就感，形成正反馈，有利于学员积极报名参与进阶课程的报名。

螺栓预紧力加载方式研究：转角法施加螺栓预紧力、力矩法施加螺栓预紧力。通过拧紧曲线局部进行线性插值，确定目标预紧力对应的拧紧转角或拧紧扭矩。

装配拧紧方案优化的有限元计算：多螺栓连接结构拧紧步骤和拧紧顺序的方案优化。分几步拧紧？对角法拧紧？提取各个螺栓预紧力变化、拧紧后接触界面的最终状态和接触应力分布情况。通过模拟计算指导实际的螺栓组预紧装配方案。

探索性数值模拟研究（仅简要介绍）：

(1) 运用螺纹精确有限元模拟结果进行VDI 2230规范重要参数求解；

(2) 各类新型防松螺纹的性能评价(降低开发成本、明确防松设计方向)；

(3) 螺栓连接结构在各类载荷作用下疲劳寿命预测(ABAQUS结合FE-SAFE软件)；

(4) 螺栓连接结构界面微动磨损对预紧力的影响(基于耗散能理论或Archard磨损模型磨损深度用户子程序开发)；

(5) 螺栓连接结构材料力学特性对预紧力的影响(材料本构模型开发，如循环塑性硬化、高温蠕变等)；

(6) 各类防松垫圈的防松性能评价：横向剪切载荷作用下的无垫圈、普通平垫圈、弹性垫圈、蝶形垫圈、NordLock垫圈的防松性能比较和对实际工程问题的指导意义。

结语

1. 精确有限元仿真的工程意义？

2. 答疑解惑：有限元计算不收敛的解决方法和改进措施经验分享；边界条件设置、接触设置、单元类型选取等；零单元报错的查看方法和解决方式。