管路连接处预应力螺栓的拉伸应力仿真

在分析螺栓连接时，要想获得准确的分析结果，需要考虑的一个因素就是螺栓预紧力。我们可以使用 COMSOL Multiphysics 结构力学模块中的螺栓预紧力功能轻松计算螺栓预应力的影响。在创建完预应力螺栓模型后，可以进一步对施加到结构上的外部载荷进行分析。在此，我们将探讨如何在连接管模型中包含预应力螺栓，然后对连接进行应力分析。

螺栓连接的基本物理原理

螺栓的预紧方法是先将螺栓拧到紧致的状态，然后再用扳手进一步拧紧螺栓。由于螺栓头部紧贴垫圈或法兰表面，进一步转动螺栓会将其略微拉长。拉长的螺栓就像一个拉伸的弹簧，将连接处的两个表面拉到一起。螺栓的预应力还被称为预拉力、预紧力和夹紧力。

当螺栓中存在适当预应力时，它能够比受力不当或没有预应力的螺栓承受更大的载荷。这是因为当预应力螺栓受力时，载荷分布在螺栓周围的连接面上，螺栓只承受一小部分载荷。此外，由于螺栓已经被拉伸到某个预定值，因此螺栓不会随着时间的推移而松动。但是，在未进行预应力的螺栓中，所有拉伸载荷都将由螺栓本身承担。

如果对一个设计合理的螺栓连接施加剪切载荷，那么横向力会通过由螺栓预应力压在一起的表面之间的摩擦力传递。与仅由螺栓本身承受的剪切力相比，这种承受剪切力的方式要有效得多。我们可以使用一些手册中的公式设计螺栓连接，但对于更复杂的几何形状，通常需要进行有限元分析，以确保设计的安全性。此外，螺栓孔周围产生的应力也会影响分析结果。

利用 COMSOL Multiphysics 模拟螺栓预紧力

在 COMSOL Multiphysics中，可以使用结构力学模块中固体力学物理场接口的螺栓预紧力功能模拟螺栓中的预应力。您可以选择预紧力类型（本例中为预应力），并在 σ_p输入栏中输入应力；可以为每个螺栓添加一个螺栓选择子节点；通过选择一个或多个定义横截面的边界来描述每个螺栓，从而获得螺栓的轴向螺栓力、螺栓剪切力和预变形等结果。

分析管路连接处的拉伸应力

借助管路连接处的预应力螺栓模型，我们可以探索螺栓预紧功能的使用方法，以及如何计算管路连接处的预应力和外部载荷的影响。在这个案例模型中，管的外径为 220 毫米，内径为 200 毫米。法兰由四个螺栓连接，预应力为屈服强度的 75%。外部载荷为管道上的弯矩。该模型的几何结构如下所示：

由于模型具有对称性，我们只需分析法兰一侧的一半。该模型模拟了两个接触区域：一个是法兰底面与作为对称条件的固定实体之间的接触区域，另一个是螺栓头下的垫圈与法兰之间的接触区域。如下图所示，在对螺栓施加预应力后，螺栓中会产生拉应力，而法兰的周围部分则会产生压应力。

预紧步骤后螺栓的拉应力。

当管路承受最大载荷时，法兰和管之间的圆角处会产生约 300MPa 的应力。弯曲导致拉伸侧的螺栓变形，变形和应力分布不再对称。螺栓横截面上的应力分布不均匀，最大应力从屈服应力（预应力值）的 75% 迅速增加到屈服应力的 88%。从下图（右图）中可以看出，外加载荷使其中一个螺栓的受力迅速增加，表明其工作不正常。

施加最大外部载荷时的等效应力，变形被放大了。	螺栓力与外部载荷的函数关系。

通过比较预紧螺栓后法兰之间的接触压力和施加最大载荷后的接触压力，可以看出接触压力分布发生了明显变化。这表明连接处螺栓的布置还不够。

预紧螺栓后法兰之间的接触压力。	外部载荷全部加载时法兰之间的接触压力。

模型下载

• 从 COMSOL 案例库下载管路连接处的预应力螺栓模型。