第36卷第4期,2023年7月宁波大学学报（理工版）中国科技核心期刊Vol.36No.4,July2023JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)中国高校优秀科技期刊DOI:10.20098/j.cnki.1001-5132.2022.1129梁-弹簧单元在内法兰螺栓简化中的应用尤建1,2,蒋昊成1,2,史超铭1,2,朱珏1,2*（1.宁波大学压力容器与管道安全浙江省工程研究中心,浙江宁波315211;2.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室,浙江宁波315211）摘要:内法兰数值模型内含的螺栓接触行为极易导致其计算不收敛,耗费大量的计算时间.为平衡计算成本和精度,构建螺栓连接结构的简化分析模型是主要手段之一.本文对多点约束-梁单元法进行了改进,提出一种梁-弹簧单元组合的螺栓简化方法,该方法使用梁单元替代螺栓,使用动力耦合约束和弹簧连接等效螺栓接触,用经过修正的虚拟热变形法施加螺栓预紧力.结果表明:该方法的分析时间和多点约束-梁单元法接近,相对全模型缩时约50％,计算精度更高、误差更小.采用该方法对通信单管塔内法兰连接节点进行分析,与精细模型和缩尺实验比较结果证明,该方法在内法兰结构中有较强的适用性.关键词:内法兰;螺栓简化;梁-弹簧单元;虚拟热变形法;缩尺实验中图分类号:O343文献标志码:A文章编号:1001-5132（2023）04-0112-09内法兰常用于机械结构中两个部件之间的连接并进行动力传递,具有可靠性高、连接紧密等优点.由于内法兰功能的重要性,其使用安全受到高度重视.数值模拟是内法兰进行安全评估的主要方法之一,然而内法兰结构的网格数量往往达到百万计,其中包含大量螺栓接触关系,增加了其分析难度.如果能将螺栓连接进行合理的简化,则内法兰的分析效率会显著提高,为此国内外学者进行了大量研究.影响螺栓连接结构静态特性和动态特性的两个主要特征是螺栓预紧力和部件之间的接触[1].Tanlak等[2]使用可变形壳单元对螺栓-螺母构件进行建模,通过修正弹性模量参数使圆柱壳的抗弯刚度与原螺栓杆相等,虽然计算时间能明显下降,但未考虑预紧力的作用.Kim等[3]提出了一种单螺栓结构的简化模型,将螺栓用梁单元近似建模,为梁单元施加初始应变提供预紧效应,用节点自由度耦合方式等效螺栓与法兰之间的接触行为,通过与实验对比,该方法显示较高的有效性和实用性.Zhang等[4]提出了一种基于梁-壳单元的多螺栓复合材料节点的高效建模方法,采用ABAQUS软件建立组合梁简化的非线性数值模型,可以有效分析结构载荷分布,与实验结果误差在10％以内.Blachowski等[5]使用梁单元与法兰耦合简化连接节点,分析了通信塔的最大位移...
