汽车行业分享丨 SimSolid 在钢结构设计中的应用及体会（下）

*本文来自汽车行业用户范会超投稿

1、工程背景

近几年，在机械产品设计领域，SimSolid® 作为一款无网格分析软件，正发挥着日益重要的作用，尤其在钢结构设计过程中展现出独特优势。传统钢结构设计流程复杂，需投入大量时间进行有限元模型构建与分析，而 SimSolid 的出现极大地简化了这一过程。

在上一期文章《SimSolid 在钢结构设计中的应用及体会》和大家分享了 SimSolid 在焊接钢节点设计分析中的应用及体会，本文重点分享 SimSolid 在螺栓连接钢节点设计中的应用价值，因为螺栓连接通过可拆卸的机械咬合实现构件间的力传递，是与焊接钢结构同等重要的关键技术。

2、软件简介

Aitair SimSolid 是一款专门为快速发展的设计流程开发的结构分析软件。它消除了几何体简化和网格化过程，可高效实现大型复杂装配体的力学分析，包括静力学分析、模态分析、热分析、结构热耦合、非线性静力学分析、疲劳分析、线性动力学等多种类型。对于螺栓连接，SimSolid 利用先进接触算法，准确模拟接触区域的压力分布、摩擦行为及可能的相对滑移，计算螺栓在轴向、剪切、弯曲等载荷下的应力、应变分布，为工程师提供全面的评价指标。

3、主要内容

3.1 钢节点连接

钢节点设计的性能指标中，节点强度直接关乎整个钢结构的稳定性与安全性。如下图 1 所示的螺栓连接和焊接，是钢结构设计中最常见两种节点连接方式，下面针对螺栓连接，开展强度分析方法的介绍，同时与依据钢结构设计规范的计算结果对比，对仿真结果进行合理性说明及讨论。

图 1.红色圈示-螺栓连接；绿色圈示-焊接

3.2 螺栓连接节点

螺栓连接设计包括 3 个关键参数，即螺栓的规格、个数及分布。SimSolid 运用先进的数值算法，快速评估螺栓强度是否满足设计要求，帮助工程师发现钢节点设计中的潜在失效位置。下面以典型的钢牛腿螺接节点，说明 SimSolid 在螺栓强度分析中的应用，计算参数及三维结构如下图 2 所示。

图 2 设计参数及三维图

► 3.2.1 模型设置

①螺栓连接：将几何模型导入软件后，自动识别出螺栓，包括螺母、垫片，如图 3.1 所示。同时自动建立螺栓与零部件的接触关系，如图 3 所示，其中图 3.1 表示螺栓组零件，图 3.2 表示了螺栓与钢板的接触关系，图 3.3 详细展示了单个螺栓的接触状态，表 1 描述了具体的接触设置。

图 3.1 螺栓组零件

图 3.2 螺栓与钢板的连接

图 3.3 单螺栓详细装配图

表 1 螺栓接触设置

②边界条件设置：在约束模块，选择 immovable support 约束类型，定义左侧钢柱下端面为固定约束。在载荷模块，选择 force/displacement 工具，定义集中作用载荷，垂直向下施加 140kN，如图 4 所示。这里需要注意，在平面指定位置施加集中载荷的技巧，首先在装配模块定义加载区域 spot。

图 4 载荷定义

► 3.2.2 求解设置

本案例考虑金属材料非线性，并且结构具有一定的薄板特性，因此求解设置如下图 5 所示：

图 5 求解及结构设置

► 3.3.3 结果讨论

①理论结果：钢管材料 Q235，屈服强度 235MPa，设计强度 215MPa，螺栓规格 M20-5.6 级。根据《钢结构原理与设计》计算单个螺栓的承载能力，计算过程如下：

上式中：d 为螺栓直径，f 为螺栓设计强度 190MPa，Ae 为螺栓有效截面积。各参数的取值及计算可查阅文末参考文献《钢结构原理与设计》，这里不在赘述，经计算螺栓最大拉力 37.5KN，最大剪力 17.5KN，选型满足强度要求。

②SimSolid 分析结果：强度结果如下图 6 所示，通过应力云图可知，钢板的最大应力为 528MPa，超出材料的设计强度，存在失效风险。由于参考文献中，假设钢板满足强度设计，未开展强度校核，仅校核了螺栓强度。因此，通过软件分析，可以全面考察结构设计，发现结构潜在风险。

图 6 结构应力云图

对于螺栓的强度分析，SimSolid 提供了专门的后处理工具，可以准确的评估螺栓的失效风险。如下图 9 所示，可以单独查看螺栓的应力结果。由图可知应力最大的螺栓位于立柱最上端，这和理论分析的最大受力螺栓的位置一致，由图可知最大应力数值为 464MPa，小于螺栓的屈服强度 500MPa。这里需要说明，由于理论公式对接触应力及截面剪应力做了平均简化处理，属于半经验公式，因此螺栓的设计强度定义了较保守值 190MPa。而仿真分析模型建立了螺栓与周边件的真实接触关系，更能反应螺栓的局部应力集中现象，同时结合前期的项目经验，仿真中的螺栓可看成一般零件处理，用材质的屈服强度作为强度失效的判断指标。因此，本案例中，经仿真分析的螺栓应力 464MPa，小于螺栓材料的屈服强度 500MPa，满足一般强度要求。

图 9 螺栓应力云图

此外，软件提供了详细的螺栓受力列表，可以充分了解每个螺栓的具体受力情况，为设计提供参考，如下表 2 所示。此表中列举了每个螺栓的受力，每列数据可按照大小排序，快速检索到受力最大的螺栓。本案例中，螺栓的轴向力最大为 31.4KN，螺栓的剪切力最大为 34.3KN，均小于 3.3.3 章节钢结构设计手册中计算的理论结果。

表 2 螺栓受力结果统计

4、总结及体会

总结：本文通过典型的钢牛腿螺接节点分析，展现了 SimSolid 在螺栓设计中的强大功能和工程价值，建模用时 5 分钟，求解用时 10 分钟，螺栓内力列表结果显示最大受拉螺栓的轴力是 31.4 N，最大受剪螺栓的剪力是 34.3N，根据钢结构设计原理，螺栓的设计安全。SimSolid 不仅可以准确模拟结构本身的应力分布情况，并给出详细的应力云图数据，而且可详细分析每个螺栓的受力情况。工程师依据这些分析结果，快速找到产品的改进方向，通过调整螺栓规格、个数及分布等方式提高节点强度。

体会：SimSolid 在机械结构项目中的应用越来越广泛，如何建立传统设计标准与高效计算方法的对应关系，是当前面临的重要问题。一方面需要设计工程师对 SimSolid 的成功案例进行总结归纳和推广，另一方面也需要通过应用 SimSolid 软件针对各类关键节点连接形式，如焊接、螺接、铆接等，开展全面的研究对比，建立相应的评价指标和标准，并在项目中不断修正和完善，最大化软件的工程价值。

参考文献

1. 夏志斌 姚谏 编著 钢结构原理与设计（第二版）中国建筑工业共出版社

2. SimSolid 帮助文档

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