摘 要： 研究螺栓聯接结构形式复杂接触的承载特性，对比分析螺栓简化前后连接件受力和位移变化情况。在三维图形设计软件Pro/E中构建模型，导入有限元软件ABAQUS中进行模拟仿真。螺栓联接装配体连接件在与螺栓接触的位置易发生应力集中，且应力分布梯度变化较大；在远离螺栓联接的位置，简化前后应力分布相差不大；螺栓联接简化前后位移变形分布云图基本相同。
关键词： 螺栓联接；接触问题；有限元分析；Pro/E；ABAQUS
中图分类号：O343.3 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 06-011-04工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.06.003
引言
螺栓联接是机械装配体中应用最广的一种结构形式，通过螺栓将两个连接件连接在一起，形成一个整体传递力与扭矩。对螺栓联接的承载特性进行研究，能够更好地指导螺栓联接结构形式的智能制造。
ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。ABAQUS不但可以进行单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究[1]。
对整个螺栓联接装配体进行有限元分析时，为节约计算资源，常常简化模型，将两个连接件接触面Tie在一起，这对模拟分析结果必然产生影响。本文采用ABAQUS对比螺栓简化前后连接件受力和挠度变化情况，以及确定使用简化分析模型的前提条件，为螺栓联接结构形式的应用提供理论依据。
1 模型构建
在任何一个大型设备中，螺栓联接是其必然存在的结构形式。本文采用两个螺栓联接两块连接板的情形作为分析对象，其中一块连接板作为固定板，另一块连接板作为加载板。该装配体在三维图形设计软件Pro/E中建立，完成后的模型如图1所示。
2 有限元模拟
2.1 几何模型转化
在Pro/E中建立的螺栓联接装配体几何模型，通过中间软件UG NX对细小结构进行修改和简化，保存文件为中间过渡格式.step，使修改后的模型能够满足进行有限元模拟的要求。转化后的模型通过Import外部文件方式导入到ABAQUS中。依次定义各个部件的材料属性，如表1所示。
2.2 离散化模型建立
完成模型基本设置后，在ABAQUS中依次对组件进行网格划分。网格划分是有限元模拟实施过程中的一个重要环节，网格的数量和质量是评价网格划分的重要指标[2]。本文采用四面体单元网格，单元类型选为C3D10，对螺栓以及两个连接板中的螺栓孔进行局部网格细化。严格控制配合面节点数量和相对位置，使计算结果更易于收敛[3]。装配模型划分单元数总计146 690，节点数总计218 768，离散化模型如图2所示。
2.3 载荷约束施加
针对该螺栓联接的装配体，为真实反映实际效果，进行如下定义：上连接板与下连接板的接触面和上连接板与两个螺栓头的接触面分别定义为摩擦面接触，两个螺栓的螺纹面与下连接板的两个螺栓孔分别定义为螺栓联接关系。在螺栓简化模型中则将两个螺栓取消，定义上连接板与下连接板的接触面为Tie连接。下连接板后立面施加全自由度位移约束，上连接板前立面施加2 MPa拉力，加载情况见图3。
3 结果与讨论
3.1 模拟结果
应用ABAQUS自带的求解器对模型进行求解。在ABAQUS中设置相应的选项，可以得到各种所需的图形、数据。为进行比较，本文同时分析了带螺栓联接和螺栓简化后两种装配体的承载性能。为清晰观察应力应变分布情况，对分析结果的分布云图扩大1 000倍展示。装配体应力分布云图如图4所示，连接件单体应力分布云图如图5所示，装配体位移变形分布云图如图6所示。
3.2 讨论
由图4a可见，上连接板和下连接板接触面之间存在相对运动，上连接板后端在其前立面拉力的作用下绕两个螺栓翘起，与下连接板面脱离。由图5a可见，上连接板应力主要集中在螺栓孔附近。在前立面拉力和两个螺栓紧固关系的共同作用下，后端面应力云图出现不均匀分布，靠近螺栓的位置应力较大，远离螺栓的位置应力较小。而且，在上连接板螺栓孔的下沿，即与下连接板接触的螺栓孔位置发生应力集中，上连接板最大应力值为45.26 MPa。由图5b可见，下连接板应力主要集中在螺栓孔附近，并沿螺栓孔向后延伸，下连接板最大应力值为67.42 MPa。由剖切图可见，螺栓孔顶面与上连接板接触的位置，其应力值大于底面。
由图4b可见，上连接板与下连接板的接触面在Tie接触关系下，节点发生同步变化，致使应力分布趋势基本相同。在这种接触定义下，整个装配体以及两个连接件的应力分布均发生了变化。上连接板应力分布向前移动，主要集中在螺栓孔和与下连接板前立面先接触的位置。下连接板应力分布向后移动，主要集中在上连接板后立面与下连接板后端立面之间区域，特别是两立面与下连接板顶面相交的位置。该形式下装配体最大应力值为8.677 MPa。
由图6a和6b可见，位移变形分布云图变化趋势基本相同。带螺栓联接的装配体发生的最大位移变形为0.004 162 mm，简化螺栓后的装配体发生的最大位移变形为0.003 086 mm。引起位移量变化的主要原因在于两个连接板的接触关系不同：一个是模拟真实的螺栓连接关系，一个是将两个连接板的接触面Tie在一起。
4 结论
（1） 带螺栓联接的装配体中两个连接件通过螺栓联接在一起，其应力分布主要集中在与螺栓联接的部位，但应力分布梯度变化较大。远离螺栓孔位置的应力值与简化螺栓后装配体中相应位置的应力值相差不大，如果不考察螺栓联接周围的应力情况，可以采用简化螺栓的方式进行模拟分析，节约大量计算资源。
（2） 带螺栓联接的装配体中两个连接件的位移变形云图与简化螺栓后装配体中的位移变形云图基本相同，由于接触关系定义的不同，产生的位移变形量略有不同。
参考文献
[1] 石亦平， 周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.
[2] 庄茁， 廖剑晖. 基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2009.
[3] 赵腾伦. ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2007.
Abstract： Analogue filters play a very important role in RF and broadband signal processing. Designed is a LC low-pass filter with a cut-off frequency of 500 MHz， introduced is the design principle and stated is the production process. The design uses a normalized low-pass filter based on the K-type transform LPF and m-extrapolation algorithm， to transform it as the low-pass filter. It can meet the flatness need of the pass band and cut-off frequency characteristics. The design is simple， and has low cost， superior performance characteristics. It has a reference value to other applications.
Key words： LC low-pass Filter； Fixed K-type Transformation LPF； m-Derived； Normalized Low-pass Filter
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