Обзор методов моделирования болтовых соединений в ANSYS

Задача моделирования болтов в трехмерных конечно-элементных расчетах всегда была довольно сложной и интересной, поскольку подробное представление особенностей геометрии болта обычно приводит к большой размерности моделей и высоким вычислительным затратам. Такое положение вещей вызывает у любого расчетчика естественное желание найти наиболее эффективный для своей задачи метод моделирования болтов.

Подход к моделированию болтов обычно характеризуется следующими аспектами:

• Подготовка геометрии: топология и подробность геометрии болта и связанных с ним компонентов;
• Сетка: Для наилучшего представления требуется получить минимальное число степеней свободы, а также сделать выбор между гекса и тетра элементами;
• Контакт: Должна корректно осуществляться передача нагрузок/напряжений через контактные поверхности;
• Определение нагрузки:

–        Шаг 1: Приложение нагрузки затяжки болта (Bolt Pretension Load)

–        Шаг 2: Фиксация болта в нагруженном состоянии (Lock)

–        Шаг 3: Приложение нагрузки к конструкции;

Способ определения геометрии болта оказывает существенное влияние на оптимальную методику моделирования, включая создание сетки, контакта и задания общих настроек расчета (Analysis Settings). В этом посте собрано восемь методов моделирования болтов в ANSYS. Для демонстрации этих методик используется простая модель соединения с восемью болтами.

 

Рисунок 1. Модель болтового соединения

 

 Модель болта №1:

• Болт со всеми особенностями, с резьбой, моделируется целиком как 3D тело.
• Эта модель при достаточно подробной сетке дает хорошее геометрическое представление жесткости.
• Ввиду сложности геометрии строится как правило тетра сетка, причем элементы в резьбе все равно могут быть весьма плохого качества – за этим нужно внимательно следить. Также для получения хороших результатов сетка должна быть достаточно мелкой.
• Тип контакта между болтом и фланцем, гайкой и болтом определяется любым кроме bonded.

 

Рисунок 2. Модель с геометрическим представлением резьбы

 

Модель болта №2:

• В этой модели геометрическое представление резьбы нужно удалить и со стороны болта, и со стороны гайки.
• Удаление резьбы повлияет на жесткость болта.
• Используется тетра сетка, по аналогии с моделью болта №1, но при этом можно обойтись меньшим количеством элементов в резьбе.
• Тип контакта между болтом и фланцем, гайкой и болтом определяется любым кроме bonded.

Рисунок 3. 3D Solid модель болта без резьбы

Модель болта №3:

• Геометрическое представление резьбы не потребуется, как и в модели №2.
• В ANSYS начиная с версии 15.0 существует методика виртуальной резьбы bolt thread contact technique для создания контакта между болтом и гайкой. Данный метод определяется на основе всех геометрических характеристик резьбы. Вычислительные затраты на получение аналогичных напряжений в области резьбы снижаются в 10 раз по сравнению с моделью №1.
• Используется тетра сетка, по аналогии с моделью №1. Для увеличения количества элементов в области резьбы удобно использовать contact sizing.
• Тип контактов между болтом и фланцем, гайкой и болтом определяется как bonded с несимметричным поведением (asymmetric behavior).

Рисунок 4. Модель с виртуальной резьбой

 

Рисунок 5. Настройки виртуальной резьбы

Модель болта №4:

• В этой модели тела болта и гайки упрощены и разрезаны, для удобства протягивания сетки (тела теперь являются «протягиваемыми» или sweepable bodies).
• Далее нужно добавить ряд настроек и можно получить неплохую гекса сетку.
• В модели контакта между болтом и гайкой используется методика виртуальной резьбы, аналогично модели №3 (рекомендуется 4 элемента на 1 виток резьбы).
• Тип контактов между болтом и фланцем, гайкой и болтом определяется как bonded с несимметричным поведением (asymmetric behavior).

Рисунок 6. Упрощенная 3D Solid модель болта с гекса сеткой

Модель болта №5:

• Геометрия та же, что и в модели №4.
• Контакт с виртуальной резьбой между болтом и гайкой заменяется на цилиндрический шарнир (cylindrical joint).
• С помощью APDL команд тип шарнира меняется на crew joint.
• Тип контактов между болтом и фланцем, гайкой и болтом определяется как bonded с несимметричным поведением (asymmetric behavior).

Рисунок 7. 3D Solid модель с использованием crew joint

Рисунок 8. Код APDL для изменения типа joint’а

Модель болта №6:

• Геометрия болта упрощается до одного балочного тела.
• Для моделирования пятен контакта на верхней и нижней поверхностях фланца отпечатываются цилиндрические поверхности (рисунок 9).
• Для связи цилиндрических областей контакта с концами балочного тела используется Bonded контакт (MPC).
• Балочное тело разбивается балочными (beam) элементами, соответственно, размерность модели существенно снижается.
• Однако, подробности напряженно деформированного состояния в теле болта таким образом вычислить не получится.

 

Рисунок 9. Балочная модель с учетом пятна контакта

Рисунок 10. Настройки MPC контакта

 Модель болта №7:

• Геометрия болта упрощается до балочного тела, как и в модели №6.
• Цилиндрические поверхности не отпечатываются.
• Для определения контакта между концами балочного тела и цилиндрических ребер болтовых отверстий используется Bonded контакт (MPC). Радиус Pinball radius должен быть достаточно большим, чтобы охватывать цилиндрические ребра.
• Однако, подробности напряженно деформированного состояния в теле болта таким образом вычислить не получится.

Рисунок 11. Балочная модель без учета пятна контакта

Модель болта № 8:

• Для моделирования болтового соединения используется связь Body-Body> beam connecton. Никакой геометрии болта или гайки не потребуется.
• Между mobile/reference геометриями создается единственный балочный элемент beam 188.
• Для создания балочного соединения нужно прикрепить (Scope) объект к ребру или поверхности болтовых отверстий на фланце.
• В данной методике нельзя использовать затяжку болта (bolt-pretension) напрямую. Для задания изначального напряженно деформированного состояния от усилий затяжки потребуются команды APDL.

Рисунок 12. Моделирование болта опцией Beam Connection

Рисунок 13. APDL код для моделирования затяжки болта

Затяжка болта (Bolt Pretension Load)

В рассматриваемой модели конструкции будут присутствовать все восемь вариантов реализации болтового соединения одновременно – по одному на каждый болт. Нагрузка bolt pretension load (500Н) будет приложена ко всем болтам за исключением модели № 8 (в этой модели будет использован соответствующий код APDL). Для приложения нагрузки нужно выбрать поверхность (трехмерный болт) или ребро (балочное тело) болта.

Рисунок 14. Нагрузка Bolt Pretension

Потребуются два шага нагружения: на первом шаге прикладывается нагрузка затяжки болта, на втором шаге болт фиксируется в затянутом положении.

Рисунок 15. Задание нагрузки Bolt Pretension

Сравнение результатов:

Смещение верхнего фланца является адекватным независимо от выбранного метода моделирования болта.

Рисунок 16. Смещение фланца

Полное перемещение Total deformation также осесимметрично независимо от выбранной модели.

Рисунок 17. Полное перемещение фланца

Первые пять моделей (трехмерная геометрия болта) показали примерно одинаковое распределение напряжений вдоль болта, с максимальным значением около 25 МПа. Уровень напряжений, посчитанный вручную составил 25.6 МПа (500Н/19.537мм²). Таким образом, ошибка в модели менее 3%.

Рисунок 18. Напряжения в болтах, выполненных Solid моделями

Для болтов, смоделированных балочными телами, напряжение составило 25.5 МПа. (напряжения были получены с помощью инструмента “Beam Tool”)

Рисунок 19. Напряжения в болтах, выполненных балочными моделями

Что касается балочного соединения, то для получения напряжений были использованы команды APDL. Величина составила 25.4 МПа.

Рисунок 20. Получение напряжения в болте, смоделированном опцией Beam Connection

 В заключение надо сказать, что расчетчику стоит хорошо подумать перед принятием решения о выборе метода моделирования болтового соединения. Что же касается общих рекомендаций, то, если предметом интереса является поведение всей сборки, а не уровень напряжения в болтовом соединении, то балочные тела/соединения будут наилучшим выбором, поскольку существенно снизят размерность модели.

Если в результате расчета необходимо получить понимание состояния контакта между болтом и фланцем, а также напряжения в болтовом соединении, то рекомендуется твердотельное моделирование, однако не забудьте подготовить геометрию модели и поработать над созданием достаточно мелкой сетки. Метод виртуальной резьбы поможет существенно снизить размерность модели и, соответственно, рекомендуется при работе с большими сборками.

Какие из описанных моделей вы использовали? Вы не нашли свой любимый метод среди описанных? Обязательно поделитесь с нами опытом в комментариях, а также не стесняйтесь задавать вопросы там же или на нашем форуме.

Успехов в работе!

 

 

Информация взята с сайта https://www.finiteelementanalysis.com.au/