Ansys螺栓预紧力模拟

螺栓连接是机械设计中比较常见的一种连接固定方式，为了保证连接的可靠性，需要通过拧紧螺栓的方式施加必要的预紧力来防止螺纹松脱，本文通过一个简单的实例来计算螺栓的预紧力，以及模拟螺栓连接受到预紧力时的应力应变情况。

一、建立CAD模型

在CAD中建立以下螺栓连接模型，钢板在中间，螺栓和螺母上下锁死。螺纹规格为M10 x 1.5，为了简化，没有对螺纹进行建模：

二、校验最大预紧力和锁紧扭力

根据以下公式校验螺栓能够承受的最大预紧力：

安全系数取1.5，结构钢屈服应力为250MPa，螺纹大径为10mm可以得到最大预应力为

P = 0.67*(250x3.14/4*100)=13,155KN

根据以下公式计算该螺栓可以承受的最大扭力：

T = 0.2*0.01*13155 = 26.3Nm.

三、设立边界条件

1）将模型导入Ansys workbech, 将三个零件的材料设为结构钢。

2）接触面设置：

a. 将螺栓和钢板的接触设置为“Friction”，摩擦系数设为0.15。

b. 将螺母和钢板的接触设置为“Friction”，摩擦系数设为0.15。

c. 将螺栓和螺母的螺纹连接设置为'Bonded'，

接触行为设为非对称“Asymmetric”，打开修剪接触，将公差设为1mm：

3)预紧力设置：

首先设置预紧力施加的位置，需要先建立一个坐标系，这里选择钢板上下面作为参考面，生成的坐标系会坐落在钢板的中间平面。然后选择螺栓body，选择刚建立的坐标系，设置预紧力大小为5KN。注意预紧力那两个箭头要跟螺栓的中心轴方向一致，箭头所指的位置就是预紧力作用的位置。

预紧力作用的位置

4）网格设置

基础网格大小设为2.5mm，追加接触面网格细化（0.5mm）和螺栓细化(1.5mm）。

5）约束设置：将钢板四周面设为固定面。

四、求解器设置和结果

求解步骤需要设为两步

在预紧力中将第一步设为Load 5KN, 第二步设为Lock

整体形变，注意到最大变形发生在预紧力施加的位置：

整体应力分布：

螺栓应力分布，最大应力在根部：

安全系数分布：

变形动画，可以看到螺栓和螺母在锁紧扭力的作用下相对移动，这个与实际操作相符。