螺栓拧紧力矩选型计算工具及预紧力仿真

螺栓选型

本站 资源中心 的“螺栓规格选型及预紧力计算”在线工具，可以根据螺栓尺寸、强度等级和外载荷大小，推荐合适的拧紧力矩值，计算预紧力。

例如：8.8级的M12螺栓。8.8级代表抗拉强度是800MPa，屈强比是0.8，则屈服强度是800×0.8=640MPa。

选择螺栓尺寸12mm，输入屈服强度：640MPa。

输入螺栓受到的轴向拉伸载荷：100kg，如果轴向没有外载荷，则不用输入。

点击“Calculate”计算，弹出计算结果。推荐扭矩是78Nm，对应的预紧力为3319公斤力。

螺栓连接精确有限元模型

Adina官网上，展示了一个螺纹连接精确模型的仿真案例。（链接地址：www.adina.com/newsgH150.shtml）

首先，对M12螺栓的拧紧过程进行仿真，接触面摩擦系数均为0.15，得到拧紧力矩与螺栓轴向预紧力之间的关系。将仿真得到的预紧力与理论值进行对标，检查模型的正确性。然后，给板子施加往复的横向位移，模拟板子在受到横向力作用下螺栓发生松动的情况。

仿照这个案例，建立螺纹连接的仿真模型。在NX中绘制三维几何模型，并采用Simcenter划分网格。螺纹配合部分划分六面体网格，无法划分六面体网格的部分，采用四面体网格。六面体和四面体之间用五面体金字塔网格进行过渡，或者采用glue/tie连接。检查网格是否存在干涉，并进行调整，消除初始穿透。

采用NX Nastran SOL 601非线性静态解算方案。下部的板子固定，载荷加载方式如下：
0~1s：在螺栓头部的刚性连接处加载扭矩，从0增加到85Nm；
1s~2s：螺栓的扭矩卸载到0，2s时刻螺栓头部的刚性连接单元失效；
2s~4s：上部的板子往复加载横向位移，位移幅值为1mm。

NX Nastran集成了Adina结构求解器，Simcenter前处理完成后，可以直接调用NX Nastran进行求解。也可以将生成的dat文件导入Adina进行求解。

仿真结果中，检查螺栓法兰面的法向接触力，其合力即螺栓预紧力。拧紧力矩85Nm时，预紧力为31.8kN。

预紧力和拧紧力矩的关系，理论计算公式为：T=kFd.（k一般取0.2）
（详见：eFunda: Torque and Tension in Bolts）

绘制拧紧力矩与预紧力的关系曲线，将理论结果和仿真结果进行对比，两者比较接近。理论公式中的系数k，与螺纹大小径、导程和摩擦系数有关，取值0.2是经验值，可能不够准确。因此，理论结果仅作为参考，仿真结果更接近实际情况。

前面的仿真，通过给螺栓施加扭矩，模拟拧紧的过程。扭矩撤销后，预紧力仍然存在。下一步，在螺栓预紧力基础上，给板子横向施加往复位移，绘制横向力-位移曲线。完成一个周期的横向往复移动后，检查螺栓预紧力的衰减情况。

仿真得到的横向滑动力是9kN。经过一次横向往复移动后，螺栓预紧力降至29.8kN。

Abaqus仿真结果：拧紧力矩85Nm时，预紧力为31.4kN，使板子发生横向滑动的横向力，约9kN。与NX Nastran、Adina的仿真结果非常接近。

横向往复移动，会造成螺栓松动。移动次数越多，预紧力衰减越厉害，横向移动所需要的力也就越小。循环移动4次，绘制横向力-位移曲线，从9034N减小至8528N。

螺栓预紧力简化

前面的仿真和理论计算表明：螺栓的拧紧扭矩和轴向预紧力基本是成正比的。如果不考虑螺纹，可以将拧紧力矩转化为预紧力，直接给螺栓施加预紧力载荷，简化仿真模型。螺纹配合面简化为圆柱面，两者采用glue/tie连接。

分别用NX Nastran SOL601和Abaqus对简化的螺栓预紧力模型进行仿真，应力结果对比如下。可以看出，简化模型除螺纹配合区域之外的其他区域，应力结果几乎都和前面详细模型仿真结果一致。