螺栓概述及运用（螺栓重点知识节选）

1 概述

螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。 其具有结构简单 , 拆装方便 , 调整容易等优点 ,

被广泛应用于航空、 航天、 汽车以及各种工程结构之中。 在航空机载环境下， 由于振动冲击

的影响， 设备往往产生较大的过载， 对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。 螺栓是否满足强

度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。

传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核， 主要是运用力的分解和平移原理， 解力学平

衡方程， 借助理论和经验公式， 理想化和公式化。 没有考虑到连接部件整体性、 力的传递途

径、部件的局部细节 ( 如应力集中、应力分布 ) 等等。通过有限元法，整体建模，局部细化，

可以弥补传统力学解析的缺陷。用有限元分析软件 MSC.Patran/MSC.Nastran 提供的特殊单

元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。因此，有限元在螺栓强度校核

中的应用越来越广泛。

2 有限元模型的建立

对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。

多点约束单元法 (MPC)即采用特殊单元 RBE2来模拟螺栓连接。 在螺栓连接处， 设置其中

一节点为从节点 (Dependent) ，另外一个节点为主节点 (Independent) 。主从节点之间位移约

束关系使得从节点跟随主节点位移变化。比例因子选为 1, 使从节点和主节点位移变化协调

一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。

梁元法模拟即采用两节点梁单元 Beam，其能承受拉伸、剪切、扭转。通过参数设置，

使梁元与螺栓几何属性一致。

2.1 几何模型

如图 1 所示组合装配体， 底部约束。 两圆筒连接法兰通过 8 颗螺栓固定。 端面受联合载

荷作用

图 1 三维几何模型

2.2 单元及 格

抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元 (shell) ，设置壳元厚度等于实际壁厚。

法兰处的过渡圆弧处 格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。

在法兰上下两节点之间建立多点约束单元 (RBE2，算例 1, 图 3) 或梁元 (Beam, 算例 2, 图

4) 来模拟该位置处的螺栓连接

图 3 算例 1( 多点约束单元法 ) 连接 格

图 4 算例 2( 梁元法 ) 连接 格

在圆筒端面中心建立不属于结构模型的参考节点，通过加权平均约束单元 RBE3，建立

端面节点与参考点的主从约束关系。 外加载荷施加在参考点上， 然后被均匀分配到端面节点。这里， 对于多个面的 格划分， 应当注意在各几何连接面法矢量的一致性。 这样划分

格时，才能保证 shell 单元法矢量的一致性。图 2 显示了各面的法矢量方向是一致的。

图 2 面法向量方向图

对于复杂曲面模型，还应当注意连接面接缝处 格协调 ; 格划分结束，必须用 Equiva

lence 合并相同节点。

图 5 整体模型有限元 格

2.3 材料属性、边界约束及载荷

计算中所使用的材料参数如下：

圆筒： E=70 GPa，μ=0.3

螺栓： E=184GPa，μ=0.3

底部法兰在 8 处螺栓处约束，在独立节点处施加联合载荷