螺栓应力松弛或失效？教你螺栓预紧力Abaqus/LS-DYNA仿真

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导读：螺栓是最常用的机械零件，螺栓连接作为一种可拆卸式的连接方式，具有更换方便、通用性强、经济性好等特点，因此广泛应用于汽车及各种机械设备中联结间厚度不大的场合。螺栓联接是通过施加预紧力的方式将不同的零部件联接在一起，应力长时间作用下金属材料会发生蠕变及应力松弛等现象，使得螺栓紧固力下降，联接性能变差，直接关系到汽车的安全性能，因此需要对螺栓应力松弛进行分析。

一般而言，对于各种机械式连接件，在工作过程中，应力集中和疲劳多数发生在连接部位，即螺栓附近，这对螺栓的寿命和连接精度有着重大的影响。由于螺栓连接中，连接件和被连接件相互之间的作用力比较复杂，因此，在有限元分析中，需要有针对性的简化。在螺栓连接中，螺栓预紧力和相互间接触是比较重要的两个特点，它们对结构的静态特性和动态特性的影响非常大。

图1常见螺栓的种类

一、螺栓的名称

了解螺栓的具体结构和特点，有助于对螺栓的受力和断裂模式有深刻的理解，进而对螺栓的仿真受力分析提供支持。某平头螺钉的详细结构如下图所示。

图2平头螺钉的详细结构图示

二、螺栓的强度等级分类

螺栓的强度等级常使用的标准主要包括GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》、ISO 898-1:2013《机械性能第1部分：螺栓、螺钉和螺柱》和ASTM A307《碳钢螺栓和螺柱的标准规范》。

国家标准中规定了螺栓的包括抗拉强度、屈服强度、硬度等性能指标，该标准适用于公称直径为M1.6～M39的螺栓、螺钉和螺柱。

按照国标GB/T 3098.1-2010中的规定，螺栓的强度等级主要分为3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等共十个等级。其中，8.8级及以上螺栓被称为高强度螺栓，通常采用低碳合金钢或中碳钢，并经过淬火+回火热处理工艺，提高其抗拉强度，一般用于受力较大的场合，如装配连接螺栓；低于8.8级的螺栓常使用低碳钢材质，不需要热处理工艺，称为普通螺栓，一般用于受力较小的区域，如家具安装中的螺栓等。

图3螺栓的分类及屈强比计算

三、螺栓的应用场景

螺栓广泛应用汽车、机械及各行业的连接中，如汽车悬置支架、板簧悬架的连接、新能源电池包的连接中等，如下图所示。

图4 悬置支架安装螺栓

图5 商用车板簧U型螺栓

图6 新能源汽车钢铝混合SPR连接

四、螺栓在工业中的典型失效

据统计螺栓连接的失效形式主要是螺栓杆部的损坏:在轴向变载荷的作用下，螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂，损坏的地方都是截面有剧烈变化因而有应力集中处。就破坏性质而言，约有 90% 的螺栓属于螺杆疲劳破坏。据统计资料表明，受变载荷的螺栓，如图 1，在从螺母支撑面算起第一圈或第二圈螺纹破坏处损坏的约占 65% ，在光杆与螺纹部分交界处损坏的约占 20% ，在螺栓头与杆交界处损坏的约占15% 。

图7 螺栓失效位置统计结果

图8 螺栓失效实物

五、螺栓预紧力的加载相关方法

1、螺栓轴向力与力矩的关系，一般来说。拧紧力矩是通过拧紧扳手来施加的，而拧紧扳手力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩Tl及螺母和与被连接件(或垫圈)支承面间的端面摩擦力矩T2。

K的取值较为复杂，很难得到其准确值，通常需要通过相关试验进行修正。对于普通粗牙M12-M64螺纹，其拧紧力矩系数K一般在0.1-0.3范围内变动。

国内很多学者对力矩系数的影响因素进行了一定研究，相关试验计算表明，螺栓公称直径不同，对扭矩系数变化影响很小，扭矩系数主要与摩擦系数有关。一般在有充分润滑作用条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.08 – 0.12之间。而在无润滑条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.1 – 0.25之间。类似的计算结果表明，公称直径，螺纹的粗细对螺母系数K的影响很小，而摩擦系数的变化，对螺母系数K的影响则很大。摩擦系数的正常变化范围可能导致螺母系数产生+30%的变化。

螺栓扭矩与螺栓载荷换算，依据经验公式：M＝F*D*K（M为螺栓扭矩，F为螺栓载荷，D为螺栓公称直径，K为系数，一般为0.1-0.3，常取0.16，需根据实际进行相应调整）。

2、螺栓预紧力加载方法2

使用经验法则是将其轴向预紧力F设定为螺栓材料屈服强度的70%左右。

近似等效公式：F=0.7∗σ_y∗A_s

σ_y：螺栓材料的屈服强度。这个值由螺栓的强度等级决定。常见等级对应的屈服强度(σ_y)和抗拉强度(σ_u)见下表。

A_s：螺栓的应力截面积。这个值可以查表或近似计算：

如：计算一个M12,强度等级9.8螺栓的近似轴向预紧力F。根据表格可得该螺栓的屈服强度为

σ_y=720MPa， A_s=84.3mm2(M12粗牙)，

F≈0.7×720×84.3≈0.7×53952=42487N≈42.5kN

六、螺栓在工业仿真中如何开展

1、螺栓对性能的影响，如模态振动、冲击等影响，从下图中可以看出是否考虑施加螺栓预紧力，对性能影响较大，如图7所示。

图7Z向25G冲击有无预紧力响应对比

图8 螺栓预紧力对模态、刚度及振动响应的影响

2、如：基于Lsdyna螺栓预紧力CABLE分析方法

该方法主要特点：

（1）在这种方法中，螺母和螺栓被分别建模，在分析开始时，通过将螺母沿螺栓轴向下移动来将板夹紧在一起。使用连接在螺栓和螺母之间的预压缩弹簧来移动螺母。一旦达到所需的载荷，使用特定的出生时间将螺母和螺栓固定在一起，然后移除弹簧。

（2）在这个例子中，一个预加载的螺栓通过将螺母向下移动螺栓轴来夹紧两个板。螺栓和螺母使用0.5毫秒的绑扎接触锁定在一起。

图8螺栓加载结果

七、螺栓加载分析技巧实战

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课程重点讲解了螺栓受力的仿真方法，详细介绍国内外知名主机厂螺栓仿真的先进方法，包括基于OS、Lsdyna 和 ABAQUS 这三种不同软件的螺栓预紧力分析方法，其中基于 Lsdyna 的有 7 种，基于 ABAQUS 的有 5 种，基于 OS 的有 2 种。同时，还涉及基于随机振动和冲击工况的螺栓松动分析，各有 2 种方法。此外，课程阐述了基于 ABAQUS、OS 和 Lsdyna 的截面力设置技巧及读取方法，最后通过某车路试螺栓松动及某螺栓断裂两个案例进行实践分析，全面覆盖了螺栓从理论分析到实际应用的多个方面。

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