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作者简介 本文作者：Jephin Lam 本文由作者发布于技术邻平台，转载需获得作者授权。 Jephin Lam，熟练使用有限元仿真CAE（Abaqus、ANSYS、HyperMesh、FloTherm、FloEFD）和CAD（Solidworks、Catia、NX UG、ProE、Creo、Auto CAD）等软件、对机械结构设计、电子结构设计和仿真具有多年的经验。 如需获取本文算例CAE模型，在技术邻站内搜索专家用户名即可。 一、螺栓（螺钉）预紧力计 螺栓帽或螺母的预紧力矩为 T=Kd* F0 （ N·mm） 式中，d——螺纹公称直径（mm） F0——预紧力（N） K——拧紧力矩系数（无量纲） 拧紧力矩系数K值表 摩擦表面状态 K 值 有润滑 无润滑精加工表面 0.10 0.12 一般加工表面 0.13~0.15 0.18~0.21 表面氧化 0.20 0.24 镀锌 0.18 0.22 干燥加工表面 —— 0.26~0.30 螺栓的预紧力为 碳素钢螺栓 F0 =（0.6~0.7）σs As (N) 合金钢螺栓 F0 =（0.5~0.6）σs As (N) 式中，σs ——螺栓材料的屈服强度 （MPa） As ——螺栓公称应力截面积 （mm2） 而，As=（π/4）*（（d2+d3）/2）2 式中，d2 ——外螺纹中径（mm） d3 ——螺纹的计算直径，d3=d1-H/6 ，其中H为螺纹原始三角形高度（mm） d1 ——外螺纹小径（mm）  二、有限元分析 （1）建立有限元模型 模型采用M2螺栓，M2螺栓的应力截面积为2.07 mm2，对于普通碳素结构钢材料，如SWRCH10，性能等级按3.6，则其公称屈服强度σs =180Mpa，预紧力为F0 =0.6*180*2.07=224N，而预紧力矩则为 T=0.22*（2/1000）*224=0.1 N·m 本算例利用Abaqus CAE创建有限元分析模型，模型中的6个螺栓连接点，分别采用5种类型的连接方式，支架下端约束6向自由度，由于动力性分析项目居多，这里以模态分析的结果作为目标进行对比分析。  （2）模型类型及分析结果 1、One KCoup 采用单个控制点的KCoup耦合约束，属于最简单的耦合约束。 优点：前处理耗时最短，计算时间也相对最少。  模态分析结果：  2、KCoup+Beam+KCoup（或MPC+Beam+MPC） 采用两个控制点的KCoup（或MPC）耦合约束，两控制点之间创建Beam刚性连接器。 优点：前处理耗时比较短，计算时间也相对较少。  模态分析结果： 分析结果和One KCoup约束一致。 3、KCoup+B31+KCoup 采用两个控制点的KCoup耦合约束，两控制点之间创建B31单元，即梁单元，单元截面直径为2mm，选择螺栓材料，使B31单元的尺寸、刚度与3D螺栓相似，同时也弥补了螺栓质量的损失。 缺点：前处理耗时较多，计算时间也相对也长。  模态分析结果：  4、KCoup+ B31+ KCoup+预紧力 该约束类型是在KCoup+B31+KCoup基础上，创建了预紧力分析步和面接触对，并在B31单元上加载了224N预紧力。 缺点：前处理比KCoup+B31+KCoup更耗时，计算时间相比也增加。  模态分析结果：  5、3D螺栓+预紧力 创建3D螺栓模型，尺寸为M2，施加预紧力224N，需要创建预紧力分析步和面接触对，该模型最接近螺栓接触约束真实模型（螺纹模型细节仿真除外）。 缺点：前处理耗时最长，计算时间也相对最多。 优点：仿真结果最接近真实模型。  模态分析结果：  （3）结果数据对比分析
三、结论 综合5种螺栓连接约束模型的分析结果，有如下结论： 1) 如果模型中螺栓/钉连接处较多，且螺栓/钉相对模型尺寸比较小（M2左右），采用One KCoup类型； 2) 如果模型中螺栓/钉连接处较少，且螺栓/钉相对模型尺寸比较大，螺栓质量在动力性分析中不可忽略时，则采用KCoup+B31+ KCoup类型； 3) 如果模型中螺栓/钉连接处较多，且螺栓/钉质量不可忽略时，则可调整模型零部件的密度，弥补螺栓质量损失，同时采用One KCoup或KCoup+Beam+ KCoup类型创建连接； 4) 在模拟单个或几个螺栓/钉的连接情况，且需要关注螺栓连接细节时，则采用3D螺栓+预紧力类型。 |
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