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技术连载丨建筑微技术-141【关于接触分析和螺栓预紧力的一些思考-上】

来源外汇天眼 05-28 20:30

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　　辽宁

　　midas Gen建筑结构分析与设计软件

　　midas Gen 是通用有限元结构分析与设计验算为一体的新时代软件系统。支持常规民用结构与复杂结构的一般分析和高端分析，支持地下综合管廊、特种结构、体育场馆、工业厂房等结构的特殊分析，融入了中国、美国、欧洲、韩国、日本、印度、加拿大、新加坡等国家的设计规范，可根据最新国内/外规范进行钢筋混凝土构件、钢构件、铝合金构件、冷弯薄壁型钢构件、组合截面构件设计和验算，搭载了管廊、水池、筒仓等板壳结构设计的平台。

　　除了一般的静力分析、动力分析之外，还可进行施工阶段分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析、隔振和消能减震分析、屈曲分析、几何非线性分析与材料非线性分析、钢与混凝土结构整体分析以及钢结构、铝合金结构、冷弯薄壁型钢的优化设计等，专门为结构工程师开发的结构分析与优化设计系统。

　　四、关于接触分析和螺栓预紧力的一些思考

　　1. 引言

　　随着工程师技术水平的提升，很多人已经可以熟练使用仿真分析软件模拟焊接或铸钢节点，但在进行螺栓节点分析时，总会产生各种各样的疑问，比如为什么要做进行接触分析？软件自带的几种接触分析方法有什么不同？分别适用于什么情况？螺栓预紧力该如何施加？是否需要把螺栓实体建立出来才能模拟更真实得螺栓连接效果？我们总是希望用更简单的方法模拟更真实的情况，本文提出了梁单元+刚性连接+预应力的方法来模拟螺栓连接，保证了螺栓预紧力模拟的效果。

　　关键词：螺栓连接、接触分析、预紧力、有限元法

　　2. 思考一：关于接触分析的一些思考

　　2.1

　　为什么要做接触分析？

　　如下图所示吊耳，吊耳板厚20mm，材质为Q345B，销孔孔径72mm，吊重50t，钢丝绳与水平夹角60°，验算吊耳强度。根据图纸建立仿真模型，吊耳底部固结，销轴两端刚性连接，施加左上方60°集中力，销轴和吊耳共节点，分析后得到的应力图如右下所示。

　　图1吊耳和销轴共节点分析

　　通过应力云图可得最大应力发生在吊耳与销轴接触的右下角，但思考过后发现这种情况与实际不符，由于受力方向为左上，真实情况应该是吊耳与销轴接触的左上部受到挤压受力较大，进一步分析后可知是销轴和吊耳共节点导致的结果不真实，当销轴由于受到左上力时，销轴右下侧节点一起向左上运动，由于共节点，带动吊耳右下角向左上运动，于是出现了吊耳与销轴接触的右下角受力较大的情况，那应该如何模拟吊耳和销轴的接触呢？

　　2.2

　　什么是接触分析？

　　FEANX提供五种接触类型，分别是焊接接触（

　　）、双向滑动接触

　　、一般接触

　　、粗糙度

　　、断裂焊缝接触（打断焊接）（

　　）

　　。

　　图2 FEA NX接触对

　　1）焊接（WeldedContact），当主面与从面从初始阶段就连接在一起时使用焊接接触。当执行分析时不允许两面的分离，竖直方向和水平方向均无相对位移。当两面内贴在一起，但是节点又不重合时，这个功能尤其有用。在这种方法中，从面节点设置在具有较细网格或者刚度相对小的单元上，主面节点设置在另一边。如果主面与从面节点颠倒设置，主接触面可能会穿透到从接触面中[2]。

　　图3 焊接接触示意图

　　2）滑动接触(SlidingContact)，这种类型在拉压双向与焊接接触的表现类似，但是可以在平面滑动。竖直方向无相对位移，水平方向有相对小位移，不允许法向分离，允许切向滑动，适用于发生小位移滑移情况，无需输入摩擦系数，属于线性分析，目的是保证相邻部件间的连续性[2]。

　　图4 滑动接触示意图

　　3）一般接触(GeneralContact)，这种类型在接触面上承受法向和切向的接触力。一般接触属于非线性分析。利用摩擦系数，在接触面的切向允许有滑动。竖直和水平方向允许有相对位移，切向和法向允许有相对位移[2]。

　　4）粗糙度(RoughContact)，这种类型在接触面上承受法向和切向的接触力。与一般接触类型类似，粗糙度接触属于非线性分析。在接触面的切向不允许有滑动[2]。

　　5）断裂焊缝接触（打断焊接）（Fractureweld contact），此类型是一种可分离的焊接接触类型，考虑了定义在接触参数中的法向和切向破坏力，属于非线性分析[2]。

　　图5 一般、粗糙度、断裂焊缝接触示意图（三种情况结果一致）

　　6）不接触，上下钢板不设置接触，由图6可知，一侧节点相互穿透。

　　图6 不接触示意图

　　思考：针对上述吊耳，应该采用哪种接触分析更加真实呢？

　　表1吊耳和销轴接触分析对比

　　半界面焊接接触

　　全界面一般接触

　　155.800MPa

　　139.295MPa

　　结论：半界面焊接接触会有受拉区应力集中现象，且设置的接触面不同，结果也不同，结果失真；全界面一般接触会自动考虑受压接触、受拉断开的情况，吊耳左上部受力较大，右下部几乎不受力，和实际受力一致，结果更加真实，故采用全界面一般接触。

　　接触分析从根本上假定空间中的两个物体可以接触，但不能相互穿透(非穿透状态)，从物理的角度来看，其行为或状态是非线性的。接触研究两个问题，是否有法向分离（挤压）和切向滑动。下面我们根据切向和法向接触力，对五种接触形式进行对比。

　　表2五种接触形式接触力对比

　　CS1剪应力（切向）

　　CS2剪应力（切向）

　　CS3正应力（法向）

　　焊接接触

　　（CS1=118MPa、CS2=516 MPa、CS3=356 MPa）不考虑切向滑动和法向分离

　　滑动接触

　　（CS1=CS2=0、CS3=293 MPa）考虑切向滑动，不考虑法向分离

　　一般接触

　　（CS1=CS2=0、CS3=6.57MPa）（钢板上下有间隙）考虑切向滑动和法向分离

　　粗糙接触

　　（CS1= 0.01MPa、CS2=0.17MPa、CS3=6.57MPa）不考虑切向滑动，考虑法向分离

　　断裂焊缝

　　（CS1= CS2=0 、CS3=6.57MPa）考虑切向滑动和法向分离

　　切向滑动可通过CS1和CS2是否有数值进行判定，没有数值即为考虑切向滑动，有数值即为不考虑切向滑动；法向分离可通过位移结果进行判定，上下有间隙即为分离，没有间隙即为不分离。将上述问题总结如下：

　　表3接触分析总结

接触分析	区别概念	切向滑动	法向分离	分析类型	应用场景
焊接接触	分析开始时两物体处于焊接状态	x	x	线性	网格划分不一致时强行共节点
滑动接触	只考虑切向滑动	√	x	线性	类似齿轮咬合
一般接触	考虑法向分离和切向滑动	√	√	非线性	应用较广
粗糙接触	只考虑法向分离	x	√	非线性
断裂焊缝	一种可分离的焊接接触类型	√	√	非线性

　　2.3

　　怎么做接触分析？

　　进行接触分析有三个关键步骤：1）节点分割；2）施加接触面；3）设置分析工况。

　　1）节点分割

　　有两个方式可以进行节点分割，一是在网格划分时，不勾选合并节点（默认勾选，需手动设置）；二是在单元-连接-分割节点，连接类型选择断开。只有进行节点分割接触分析才有意义，否则按照共节点考虑，后续会进行论证如表4所示。

　　图7 节点分割示意图

　　2）施加接触面，确保主从接触面一致

　　施加接触面有两种方式，自动接触和手动接触，自动接触时直接选择需要进行接触分析的实体，软件会自动添加接触面，但这种方法可能会造成接触面选择过大（会有什么影响，在表7进行论证），或个别部位识别不到接触面，需要检查；手动接触时需选择主从接触面，将刚度较大部位选为主接触面，刚度较小部位选为附属接触面。接触类型按情况进行选择，对象类型选为3D单元面。进行接触参数设置时注意填写摩擦系数（一般接触）摩擦系数为0代表光滑无接触，为1代表全接触，需根据材料类型谨慎填写，默认为0。