NFX|紧固件-螺栓的几种建模方法
螺栓连接通常由螺栓组（头部head,螺柱stud,和螺母nut）和法兰（顶部和底部）组成，螺栓连接的设计目的是将两个或多个零件固定在一起，形成一个组件；由于不同的负载条件，特别是高负载，螺栓连接可能会分离；为了尽量减少这种影响，对螺栓施加预张力；这确保了连接不会分离，前提是施加的负载仍然小于预张力；在有限元模拟中，必须考虑预张力特性。
螺栓连接具有许多在生产模拟中难以捕捉的复杂性，因此在螺栓模拟上有多种方法，没有单一的解决方法成为行业标准，工程师必须确定要建模的螺栓连接特性，并了解所使用的有限元程序的功能。才能合理的模拟螺栓连接的程度。
两个主要的螺栓连接特征是预紧和配合部件接触关系，如没有螺栓单元可以对预张力模拟用温度、约束方程或初始应变来建模。
通过为螺栓和法兰指定不同的温度和材料特性来产生温度预张力。预设温度有助于在螺栓中产生热收缩效应。约束方程预张力是一种特殊的耦合形式。可以应用方程来指导相关节点的行为，而不是耦合节点。这也会导致螺栓的初始位移。
螺栓连接中的接触使用点对点、点对面或面对面元素来解决。触点类型取决于所使用的型号。对于实体三维建模，主要使用面到面接触。
法兰分离螺栓
当负载试图分离螺栓法兰接头时，螺栓的工作是将法兰固定在一起。预张力应大于施加的载荷。当施加的载荷超过预张力时，零件将分离。从模拟的角度来看，接触的表面必须能够分离。这就是使用接触元件的地方。对于法兰分离下的螺栓，法兰和螺栓头/螺母之间的接触面不需要接触元件。这些表面可以粘在一起。也就是说，头部触点可以与顶部法兰共享相同的表面，螺母触点可以与底部法兰共享相同表面。顶部和底部法兰之间的水平接缝处需要接触元件。
法兰受压螺栓
当法兰受压时，螺栓上没有负载。在这种情况下，头部和螺母接触必须能够与法兰分离，而水平接头接触可以共享同一表面。顶部法兰和底部法兰相交的表面（水平接缝接触面）可以粘合在一起。由于接触元件的非线性效应，上述方法将有助于在求解阶段节省大量计算时间。
横向
为了在两个配合面滑动时考虑螺栓的横向效应，螺栓上靠近水平接头的节点和两个配合面的节点相互连接。摩擦力抵抗横向载荷。如果我们假设从螺栓头到螺母的方向是垂直方向Z，那么横向方向将是方向X和方向Y。在实体模型中，横向载荷从螺栓头/螺母传递到螺栓。在非实心封头/螺母模拟中，使用其他方法来解释横向载荷，下图显示了假设忽略摩擦的实心头/螺母的情况。为了考虑横向载荷，螺柱线单元的节点与顶部法兰和底部法兰的节点耦合。
螺栓连接模拟
在模拟螺栓连接时，工程师必须考虑模型中的连接分离和压缩。不考虑其中之一是一种工程判断，这意味着对负载行为的了解。 根据所需的结果类型来决定建模的详细程度。
在生产应用的模型中，螺栓的功能是在接头试图分离时将载荷从顶部法兰传递到底部法兰，反之亦然。许多模拟忽略了弯曲和剪切效应，但是否应该包括它们取决于所需的精度。螺栓的尺寸必须能够在法兰分离条件下将接头固定在一起。
无螺栓模拟
无螺栓模拟是指预张力作为压力载荷施加在垫圈表面，而模型中不包括螺栓。这是在模型中解释螺栓预张力效应的最简单、最快的方法。由于单元较少，可以很快得到结果
在没有螺栓模拟的情况下，假设接头不会分离，模拟中不需要螺栓刚度。但如果模型中没有螺栓刚度，则不会考虑螺栓载荷传递。通过与失败标准将取决于接触压力和间隙，而不是螺栓载荷。
优点
•不需要对螺栓进行建模
•在此模拟中，单元数量最少，因此求解所需时间最少
•计算螺栓载荷的最简单方法
缺点
•由于螺栓没有建模，因此载荷不会通过螺栓传递
•没有螺栓单元，因此无法考虑螺栓刚度
螺栓耦合连接
用线单元表示螺柱，节点表示头部/螺母。头/螺母的连接方式类似于星形螺栓，使用这种方法，单元的数量大大减少。螺柱被模拟为杆单元，该单元仅具有张力能力，在头部/螺母法兰连接处不需要接触单元。
优点
•在螺栓连接模拟中，单元数量多于无螺栓模拟，但与其他模拟相比更少
•使用杆单元的简单螺柱截面
•易于提取结果
•拉伸载荷可以通过耦合节点传递
•如果法兰受压，仅具有张力能力的杆单元将作为实际螺栓响应
缺点
•未考虑头部/螺母温度
•弯曲载荷不会转移
刚体单元（RBE）螺栓
在刚体单元螺栓模拟中，线单元用于表示螺柱，刚体单元用于表示头部/螺母。头/螺母的连接方式类似于星形螺栓，使用刚体单元而不是线单元。使用这种方法，单元的数量大大减少。R刚体单元螺栓模拟转移了所有载荷，并在不使用线或实体单元的情况下结合了弯曲效应。
螺柱线单元的一部分应该是仅具有张力的特性，因为在头部/螺母到法兰的连接处没有使用接触单元
优点
•在刚体单元螺栓模拟中，单元数量多于无螺栓模拟，但与其他模拟相比更少（数量与螺栓耦合连接相似）
•使用线单元的简单螺柱截面
•易于提取结果
•拉伸、弯曲和热载荷可以通过刚体单元节点传递
缺点
•未考虑头部/螺母温度
•如果法兰受压，使用线单元作为螺柱时，螺栓会压缩
Spider螺栓模拟
Spider螺栓模拟用线单元代替了头部、螺母和螺柱。一系列线条单元以网状方式代表头部/螺母。因此，叫Spider螺栓。这是使用线单元并将载荷传递到螺柱的最合理方法。必须通过线单元模拟头部/螺母的弯曲和刚度。
一部分螺柱线构件应该是仅具有张力能力的线元件，因为在头部/螺母到法兰的连接处没有使用接触单元。
优点
•在Spider螺栓模拟中，单元数量多于无螺栓、螺栓耦合和刚体单元螺栓模拟，但与混合螺栓和实心螺栓模拟相比更少
•使用线条单元的简单螺柱截面
•易于提取结果
•拉伸、弯曲和热载荷可以通过Spider单元传递
缺点
•与其他模拟相比，模拟头/螺母刚度需要额外的工作
•如果法兰受压，使用线单元作为螺柱时，螺栓会压缩
混合螺栓
在混合螺栓模拟中，头部和螺母被建模为实体单元，螺柱区域被建模为线单元。建议线单元起点应位于距离顶部法兰边缘一半直径和距离底部法兰边缘一半半径的位置。线单元捕捉螺栓载荷的拉伸部分。使用耦合节点将线单元附着到实体上。它们在螺栓的轴向方向上耦合。在混合螺栓模拟中，将头部和螺母保持为实体几何的目的是考虑热载荷和弯曲载荷效应。如果使用杆单元，则不需要法兰和头/螺母之间的接触单元。这是因为杆单元只有拉力自由度。也就是说，如果螺栓受压，则杆单元中没有负载。杆单元减少了接触单元的数量，但需要连接顶部和底部法兰的节点。横向效应如横向部分所述。如果出现自由度问题，则需要在横向方向上约束杆单元。如果使用梁单元代替杆单元，将消除横向耦合要求，但需要对法兰和头/螺母之间的接触元件进行建模，以包括零压缩，这在梁单元中是不可用的
优点
•精度最佳的实体螺栓模拟方法
•简单的螺柱截面，使用线单元建模
•易于提取结果
•拉伸、弯曲和热载荷可以通过线单元传递
•可以计算出头部和螺母的全应力分布
•如果法兰受压，仅具有拉力的杆单元将作为实际螺栓响应
缺点
•由于螺柱部分被建模为线单元，因此螺柱部分没有完整的应力分布
•需要将线单元连接到螺柱上
•如果梁单元用作螺柱部分，则需要在头部/螺母处安装接触单元
实体螺栓
实体螺栓是最接近实际螺栓的模拟。它能模拟出热、弯曲和拉伸载荷。因此，这是最好的使用方法。
实体螺栓模拟要求接触单元用于水平接头以及法兰和头部/螺母之间的接触面。应使用预拉力构件来考虑预紧力。但为了简化模拟，忽略了一些特征，其中一个特征是螺纹的影响，这在螺栓连接分析中没有考虑。接触面上的摩擦相互作用是另一个特征，在螺栓连接分析中不考虑。
优点
•精度最佳的模拟方法
•拉伸、弯曲和热载荷可以传递
•可以计算出头部、螺母和螺柱中的全应力分布
缺点
•由于需要的实体元素数量，增加了更多的建模和计算时间
•需要额外的工作来计算螺柱横截面应力
•头部和螺母法兰处需要接触单元
小结
