螺栓接頭

以傳統方式對銷釘接頭進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。這是因為這種模擬必須考慮螺栓預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，該軟件內置了分析智能，設計工程師只需定義幾個必需的參數，即可讓程序執行復雜的計算。

用戶必須定義的參數（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載。如果用戶提供螺栓擰緊扭矩和扭矩系數以確定螺栓螺紋上的摩擦力，該軟件可以自動計算螺栓預載。

（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目。利用這些信息，COSMOS就可以計算并給出確定螺栓大小所需的結果。

所有這些輸入都可以在一個對話框中完成。在完成求解后，COSMOS會提供以下結果：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據以確定螺栓的大小。

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。對于接地螺栓，COSMOS使用虛擬壁選項模擬混凝土地面，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紅綠燈柱虛擬螺栓的特性進行建模。

虛擬螺栓接頭不提供關于螺栓/螺母上應力分布的數據，但提供螺栓對相鄰零件或整個裝配體的影響。如果螺栓/螺母上的應力分布非常重要，用戶可以在對螺栓特性進行建模的時候包含螺栓和螺母的實體模型，然后使用接觸條件而不是虛擬螺栓接頭進行建模。

與銷釘接頭一樣，COSMOS利用橫梁單元（圖7）對螺栓桿進行建模，該橫梁單元通過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。該軟件通過對橫梁應用軸向力對螺栓預載進行建模。此處使用的橫梁單元是一個只承受張力的單元，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），該軟件則會通過連接法蘭孔面和螺栓桿之間的剛性桿單元對抗剪效應進行建模。

（圖7）—如插圖所示，螺栓特性通過橫梁單元和桿單元進行建模。橫梁單元應由桿單元連接到螺栓接觸面上的所有節點。需要對螺母接觸面上的所有節點重復相同的過程。

由于這些連接橫梁和法蘭面的剛性桿，螺栓/螺母區域附近的應力可能不太準確。但是，這種影響會逐漸減小，直到在距螺栓表面1個螺栓直徑左右的區域內幾乎完全消失。

現實中的螺栓接頭

美國加利福尼亞的ForceMeasurementSystem(FMS)公司制造用于測試馬達和噴氣飛機引擎的推力試驗臺。該試驗臺由高精度機械零件通過螺栓連接到一起形成整個系統。最近，FMS的一個客戶要求查看推力試驗臺中每個螺栓的安全系數。

過去，要完成這種工作，FMS的首席工程師ScottMcFarlane必須按彈簧單元對螺栓進行建模，以獲得力的數據并使用螺栓預載建立模型，這是一系列需要耗費大量時間的任務。

“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預載值’。我不得不做許多枯燥的數據輸入工作。但COSMOS虛擬螺栓接頭非常簡單并且易于使用”，McFarlane說，“我只花了三個小時用虛擬接頭在COSMOS中建立我的模型，而以前這需要兩到三天的時間”。