1 概述
螺栓是機載設(shè)備設(shè)計中常用得聯(lián)接件之一。 其具有結(jié)構(gòu)簡單 , 拆裝方便 , 調(diào)整容易等優(yōu)點 ,
被廣泛應(yīng)用于航空、 航天、 汽車以及各種工程結(jié)構(gòu)之中。 在航空機載環(huán)境下， 由于振動沖擊
得影響， 設(shè)備往往產(chǎn)生較大得過載， 對作為緊固件得螺栓帶來強度高要求。 螺栓是否滿足強
度要求，關(guān)系到機載設(shè)備得穩(wěn)定性和安全性。
傳統(tǒng)力學(xué)得解析方法對螺栓進行強度校核， 主要是運用力得分解和平移原理， 解力學(xué)平
衡方程， 借助理論和經(jīng)驗公式， 理想化和公式化。 沒有考慮到連接部件整體性、 力得傳遞途
徑、部件得局部細(xì)節(jié) ( 如應(yīng)力集中、應(yīng)力分布 ) 等等。通過有限元法，整體建模，局部細(xì)化，
可以彌補傳統(tǒng)力學(xué)解析得缺陷。用有限元分析軟件 MSC.Patran/MSC.Nastran 提供得特殊單
元來模擬螺栓連接，過程更方便，計算更精確，結(jié)果更可靠。因此，有限元在螺栓強度校核
中得應(yīng)用越來越廣泛。
2 有限元模型得建立
對于螺栓得模擬，有多種模擬方法，如多點約束單元法和梁元法等。
多點約束單元法 (MPC)即采用特殊單元 RBE2來模擬螺栓連接。 在螺栓連接處， 設(shè)置其中
一節(jié)點為從節(jié)點 (Dependent) ，另外一個節(jié)點為主節(jié)點 (Independent) 。主從節(jié)點之間位移約
束關(guān)系使得從節(jié)點跟隨主節(jié)點位移變化。比例因子選為 1, 使從節(jié)點和主節(jié)點位移變化協(xié)調(diào)
一致，從而模擬實際工作狀態(tài)下，螺栓對法蘭得連接緊固作用。
梁元法模擬即采用兩節(jié)點梁單元 Beam，其能承受拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)。通過參數(shù)設(shè)置，
使梁元與螺栓幾何屬性一致。
感謝分別用算例來說明這兩種方法得可行性。
2.1 幾何模型
如圖 1 所示組合裝配體， 底部約束。 兩圓筒連接法蘭通過 8 顆螺栓固定。 端面受聯(lián)合載
荷作用
圖 1 三維幾何模型
2.2 單元及網(wǎng)格
抽取圓筒壁中性面建模，采用四節(jié)點殼元 (shell) ，設(shè)置殼元厚度等于實際壁厚。
法蘭處得過渡圓弧處網(wǎng)格節(jié)點設(shè)置密一些，其它可以相對稀疏。
在法蘭上下兩節(jié)點之間建立多點約束單元 (RBE2，算例 1, 圖 3) 或梁元 (Beam, 算例 2, 圖
4) 來模擬該位置處得螺栓連接
圖 3 算例 1( 多點約束單元法 ) 連接網(wǎng)格
圖 4 算例 2( 梁元法 ) 連接網(wǎng)格
在圓筒端面中心建立不屬于結(jié)構(gòu)模型得以上為本站實時推薦產(chǎn)考資料節(jié)點，通過加權(quán)平均約束單元 RBE3，建立
端面節(jié)點與以上為本站實時推薦產(chǎn)考資料點得主從約束關(guān)系。 外加載荷施加在以上為本站實時推薦產(chǎn)考資料點上， 然后被均勻分配到端面節(jié)點。這里， 對于多個面得網(wǎng)格劃分， 應(yīng)當(dāng)注意在各幾何連接面法矢量得一致性。 這樣劃分網(wǎng)
格時，才能保證 shell 單元法矢量得一致性。圖 2 顯示了各面得法矢量方向是一致得。
圖 2 面法向量方向圖
對于復(fù)雜曲面模型，還應(yīng)當(dāng)注意連接面接縫處網(wǎng)格協(xié)調(diào) ; 網(wǎng)格劃分結(jié)束，必須用 Equiva
lence 合并相同節(jié)點。
圖 5 整體模型有限元網(wǎng)格
2.3 材料屬性、邊界約束及載荷
計算中所使用得材料參數(shù)如下：
圓筒： E=70 GPa，μ=0.3
螺栓： E=184GPa，μ=0.3
底部法蘭在 8 處螺栓處約束，在獨立節(jié)點處施加聯(lián)合載荷
