Hypermesh裝配技術—螺栓連接

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螺栓連接作為一種常見的連接與緊固手段在實際裝配中大量使用，因此在對裝配體進行有限元建模時，如何考慮螺栓連接就顯得尤為重要。下圖是普通螺栓的實際結構圖：

圖1普通螺栓實際結構

可以看到主要包含幾個部分：螺栓，螺母以及墊片，其中螺栓又包含螺桿部分與螺帽部分，並且可以看到，螺栓與螺母部分均帶有螺紋與各種倒角與圓角。如果要對上面這種螺栓進行完全建模，可以想像不管從網格劃分還是計算收斂上都是吃力不討好，因此在進行有限元分析時，如果不是需要特別細緻的研究螺栓部分的細節應力，都會進行大量簡化，比如：去掉各類工藝圓角與螺紋，螺母與螺栓一體化，不考慮墊片，螺母與螺栓綁定接觸等等。但是，在裝配體中存在大量的螺栓連接，就算每一個螺栓都按照上述簡化，其計算量也大到驚人，這裡面造成計算量大的主要原因就是接觸非線性的存在。因此，對於大型裝配體，能不使用接觸的地方還是建議避免，否則花了大量時間做了一個計算不動或者計算周期很長的模型，既不便於修正重算，也不便於進行後續的結構優化部分，因此下面介紹的幾種基於hypermesh前處理的簡化方法也是建立在上述原則上（不得不聲明下，下面的幾種方法的研究重點並不是螺栓，只是將螺栓作為連接件傳力），下面就用一個簡單的例子說明下個人認為大型裝配體比較適宜的螺栓處理方式。

圖2幾何模型

幾何模型如圖2所示，三部分管件通過介面處的螺栓孔連接起來（由於後續會對螺栓部分進行單獨討論，因此這裡先不處理螺栓部分），現固定左端面，右端面施加一向下的集中力，試分析結構在關鍵部位的應力。

單從分析角度來看，管件更偏向於梁或者殼，結合本例要求，使用殼進行簡化更為合適（為了防止結構拐角處的應力集中，建議保留這部分圓角）。使用殼體進行簡化後的模型如下：

圖3用於分析的幾何模型

上述結構比較簡單，孔也比較少，貌似多切一下就能劃分得到很規則的網格。但是試想一個工程結構中，有成百上千各這種結構，孔有成千上萬個，還這樣去慢慢切分無疑會心態爆炸，因此個人建議使用一些快捷的辦法去得到較高質量的網格，對於該結構網格劃分進行如下考慮：

①　圓管部分幾何比較規則，建議全四邊形規則劃分

②　圓盤部分孔較多，建議使用基於網格質量控制的網格進行劃分（QI mesh）

③　孔邊添加washer，以保證孔邊網格質量

④　圓角處至少添加兩層網格

根據上述考慮說明下網格劃分策略：

圖4 autocleanup面板

使用Geom~autocleanup快速處理幾何，該功能類似於批處理，能直接識別所選部件進行特徵識別，然後統一進行簡化處理。這裡我將目標網格尺寸設置為0.5，並指定半徑小於2mm的圓孔進行表示並將孔邊12份，並擴充0.8*半徑的washer，選擇四個圓盤面清理完成後得到如下模型：

圖5處理後的幾何

軟體使用在邊上添加硬點的方式控制網格尺寸，在圓周擴充一定半徑的線來實現擴孔的washer。

由於孔邊對網格質量要去較高，因此建議先仔細劃分孔邊網格。由於前一步軟體已經幫忙處理了很大一部分，這一步就相對更好操作，劃分完成後得到孔邊網格如下：

圖6螺栓孔周圍網格劃分

孔邊處理完成後，其餘部分處理就不用那麼拘謹，可以適當松一點，稍微留意下圓角處的網格劃分就行，最終得到整體網格模型如下：

圖7整體有限元模型

進行網格質量檢查，可以看到全部符合要求：

圖8網格質量檢查

2.4屬性賦予

建立對應的材料屬性（使用op默認的碳鋼材料）與單元，關聯對應的組件。

到這裡才到本文的重點，關於如何考慮螺栓，我們可以先看下hypermesh提供的螺栓處理方式有哪些：

圖9 bolt面板提供螺栓類型

可以看到有18中（其實沒有這麼多），這裡我就裡面常用的幾種進行說明。

General bolt相當於使用車輪式的純rbe2來簡化螺栓，每一根螺栓由三個rbe2單元組成，並且所有主從節點傳遞六個自由度，如下所示（M代表master主節點，S代表slave從節點）：

圖10普通螺栓示意圖

可以看到車輪的中心都是各自的主節點，兩中心的主節點又通過一個rbe2的主從關係關聯起來，根據上一篇（hypermesh裝配-RBE2，RBE3）可以得知，這樣定義並不會引起主從關係的混亂，因為所有的從節點只被一個主節點所奴役。下面進入bolt（general）中看下具體如何創建：

圖11普通螺栓建立面板

Step1（location）選擇孔邊任意一節點作為螺栓的連接點標識，hm能自動識別該點周圍存在在的螺栓孔特徵，這裡的白色點是我選取的識別點

Step2（connect what）選擇需要創建螺栓連接的組件，如圖為藍色組件與綠色組件（連個都要選）

Step3（num layers）選擇螺栓連接的層數，一般使用默認的兩層即可，如果螺栓連接多層組件，則選擇對應層數即可

Step4（tolerance）這一步很關鍵，容差設置是為了能搜索到對應的螺栓孔連接，如圖藍色面與綠色面距離1mm，因此設置得比1mm大就能識別到對應螺栓孔，否則創建失敗。

完成後點擊creat即可看到完成的螺栓連接：

圖12普通螺栓建立後的有限元模型

同理完成另一側螺栓孔的創建，施加對應的工況得到如下應力雲圖：

圖13各部分米塞斯應力雲圖（bolt general）

可以看到最大應力出現在左側螺栓連接處的上下螺栓孔周圍，介面圓角處，左側管道拐彎處以及右側連接孔上下側應力也較大。

與通用螺栓不同，蜘蛛網式螺栓只使用一個rbe2單元，如下所示：

圖14蜘蛛網式螺栓

可以看到，整個螺栓僅採用一個rbe2單元，其中從節點為上下螺栓孔的孔周節點，主節點為所有從節點的中心。以這種方式建立的螺栓連接理論上應該是所有連接中剛性最大的，因為按照rbe2的特點，這些從節點之間應該完全無相對運動，因此可以把這種螺栓當成一個剛性無限大的螺栓，這點與general bolt類似，但是其操控性不如general bolt（後面說明這一點）。

該螺栓的創建與bolt general完全一致，僅修改螺栓類型即可。這裡就不對該模型進行分析，因為結果可以預測與bolt general完全一樣。這是由於bolt general的三部分均為rbe2，因此最終結果相當於兩部分從節點一樣無相對位移，但是這種形式的螺栓靈活性較大，比如可以釋放轉動自由度，中間rbe2可以替換成beam等等。

3.1簡述了下普通螺栓，如果把普通螺栓的桿件部分rbe2換成beam類型單元，則就是bolt（cbar）

圖15 rbe2+beam類型螺栓

顯然把rbe2換成beam類型單元以後，由於該部分有了指定的截面與材料，因此不會像普通螺栓一樣局部定義過剛，可以預測該種情況孔邊應力分析結果較3.1所示會小些，應力集中也不那麼明顯：

圖16 beam類型螺栓米塞斯應力雲圖

可以看到最大應力已經轉移到圓角處，螺栓孔處應力集中已經不那麼明顯。

前面3.1所示螺栓連接的從節點只是連接了內圈節點，該種連接方式的從節點除了內圈節點外，還連接了washer一圈節點，如下所示：

圖17 washer連接類型螺栓

這種處理個人感覺是考慮了墊圈和螺母的影響，因為實際接觸面積是墊圈和螺母的，但是如果按照最危險工況考慮，比如剪切作用，實際還是螺栓桿部分作用，這裡可能不同行業有不同的處理標準，這裡僅僅說下。按照這種方式連接的話，結果雲圖會明顯看到螺栓孔有一片剛性區，這也是從節點範圍擴大的原因：

圖18 washer連接類型螺栓米塞斯應力雲圖

可以看到從節點由於沒有相對位移，因此這部分沒有應力，整體應力水平由於從節點變多的原因也降低了，雲圖結果不建議光順（剛性區與周圍應力梯度太大，光順後結果失真）

上述幾種方法都屬於保留了螺栓孔的簡化模式，如果孔較大採用上述幾種方式是合理的，但是如果孔比較小而且很多的情況，再保留下孔則不方便網格處理，並且小孔周圍應力集中現象極其明顯。對於這種情況螺栓連接可以簡化成點焊形式，如下：

圖19「點焊」形式螺栓示意

圖20「點焊」形式螺栓

這種方式建議在螺栓孔相對於整體較小的情況下使用，由於採用了實體與rbe3單元，因此不會出現前面幾種方法很明顯的應力集中，相對來說雲圖會更加光順些，應力值也小些。

上述只說明了對於殼網格的螺栓裝配形式，同樣可以在面板中找到對應的三維裝配，或者釋放rbe單元部分自由度實現更加靈活的操作，下面僅對上述建議的幾種方法進行下小結：

①　大部分情況下螺栓強度遠高於周圍材料，如果不考慮螺栓變形，建議使用bolt（general）或者bolt（spider）

②　如果螺栓變形需要考慮，建議使用bolt（cbar），否則螺栓孔處的應力集中過於明顯且不符合實際

③　如果考慮到墊片等的作用，可以考慮使用bolt（washer1），但應注意孔邊應力的特殊性

④　如果結構螺栓孔分布密集並且小，則建議將螺栓連接簡化成點焊連接，使用bolt（acm），對於動力學分析可以直接使用點對點的rbe2，對於靜力學分析建議bolt（acm）的原因主要是單點的rbe2所帶來的應力集中過於明顯。

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