螺栓接頭

以傳統(tǒng)方式對(duì)銷釘接頭進(jìn)行建模和分析可以說非常困難，而螺栓和螺釘接頭則更難以模擬。這是因?yàn)檫@種模擬必須考慮螺栓預(yù)緊力和剪切力的影響。

COSMOS提供可以處理此類分析問題的虛擬螺栓接頭。用戶還可以了解螺栓上的軸向反作用力和抗剪反作用力，以確定螺栓大小；還可以確定特定螺栓大小所產(chǎn)生的鎖模力以及擰緊扭矩是否足以克服外部載荷。

與前述銷釘接頭類似，該軟件內(nèi)置了分析智能，設(shè)計(jì)工程師只需定義幾個(gè)必需的參數(shù)，即可讓程序執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。

用戶必須定義的參數(shù)（圖4）包括：與螺栓頭接觸的法蘭面、螺栓桿、螺母（如果該接頭為螺釘，則不需要螺母）、螺栓直徑、螺栓材料以及螺栓預(yù)載。如果用戶提供螺栓擰緊扭矩和扭矩系數(shù)以確定螺栓螺紋上的摩擦力，該軟件可以自動(dòng)計(jì)算螺栓預(yù)載。

（圖4）—COSMOS要求用戶確定螺栓將接觸的面、螺栓直徑以及材料等項(xiàng)目。利用這些信息，COSMOS就可以計(jì)算并給出確定螺栓大小所需的結(jié)果。

所有這些輸入都可以在一個(gè)對(duì)話框中完成。在完成求解后，COSMOS會(huì)提供以下結(jié)果：作用在該螺栓上的軸向力、剪切力以及扭矩（圖5）。

（圖5）—COSMOS提供軸向力、剪切力以及扭矩等必需的數(shù)據(jù)以確定螺栓的大小。

COSMOS還可以模擬接地螺栓的特性，例如紅綠燈柱（圖6）上的螺栓的特性，在這種情況下，螺栓是嵌入到人行道的混凝土中的。對(duì)于接地螺栓，COSMOS使用虛擬壁選項(xiàng)模擬混凝土地面，因而減小了分析模型的大小。

（圖6）—利用COSMOS中的接地螺栓接頭對(duì)紅綠燈柱虛擬螺栓的特性進(jìn)行建模。

虛擬螺栓接頭不提供關(guān)于螺栓/螺母上應(yīng)力分布的數(shù)據(jù)，但提供螺栓對(duì)相鄰零件或整個(gè)裝配體的影響。如果螺栓/螺母上的應(yīng)力分布非常重要，用戶可以在對(duì)螺栓特性進(jìn)行建模的時(shí)候包含螺栓和螺母的實(shí)體模型，然后使用接觸條件而不是虛擬螺栓接頭進(jìn)行建模。

與銷釘接頭一樣，COSMOS利用橫梁?jiǎn)卧▓D7）對(duì)螺栓桿進(jìn)行建模，該橫梁?jiǎn)卧ㄟ^剛性桿單元連接到螺栓頭和法蘭之間的接觸面。螺栓桿的另一端通過另一組剛性桿單元連接到螺母和法蘭之間的接觸面。該軟件通過對(duì)橫梁應(yīng)用軸向力對(duì)螺栓預(yù)載進(jìn)行建模。此處使用的橫梁?jiǎn)卧且粋€(gè)只承受張力的單元，它只抗張力而不抗壓力。如果螺栓桿直徑與法蘭上的孔直徑相同（即緊密配合），該軟件則會(huì)通過連接法蘭孔面和螺栓桿之間的剛性桿單元對(duì)抗剪效應(yīng)進(jìn)行建模。

（圖7）—如插圖所示，螺栓特性通過橫梁?jiǎn)卧蜅U單元進(jìn)行建模。橫梁?jiǎn)卧獞?yīng)由桿單元連接到螺栓接觸面上的所有節(jié)點(diǎn)。需要對(duì)螺母接觸面上的所有節(jié)點(diǎn)重復(fù)相同的過程。

由于這些連接橫梁和法蘭面的剛性桿，螺栓/螺母區(qū)域附近的應(yīng)力可能不太準(zhǔn)確。但是，這種影響會(huì)逐漸減小，直到在距螺栓表面1個(gè)螺栓直徑左右的區(qū)域內(nèi)幾乎完全消失。

現(xiàn)實(shí)中的螺栓接頭

美國(guó)加利福尼亞的ForceMeasurementSystem(FMS)公司制造用于測(cè)試馬達(dá)和噴氣飛機(jī)引擎的推力試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)由高精度機(jī)械零件通過螺栓連接到一起形成整個(gè)系統(tǒng)。最近，F(xiàn)MS的一個(gè)客戶要求查看推力試驗(yàn)臺(tái)中每個(gè)螺栓的安全系數(shù)。

過去，要完成這種工作，F(xiàn)MS的首席工程師ScottMcFarlane必須按彈簧單元對(duì)螺栓進(jìn)行建模，以獲得力的數(shù)據(jù)并使用螺栓預(yù)載建立模型，這是一系列需要耗費(fèi)大量時(shí)間的任務(wù)。

“以前沒有一種輕松的功能可以讓我說‘我需要將螺栓擰到這個(gè)預(yù)載值’。我不得不做許多枯燥的數(shù)據(jù)輸入工作。但COSMOS虛擬螺栓接頭非常簡(jiǎn)單并且易于使用”，McFarlane說，“我只花了三個(gè)小時(shí)用虛擬接頭在COSMOS中建立我的模型，而以前這需要兩到三天的時(shí)間”。