基于VB与APDL的螺栓连接件有限元模拟二次开发

李守巨，　刘军豪,　 张　军

(1. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116024；2. 江西洪屏抽水蓄能有限公司, 江西 洪屏 330600)



基于VB与APDL的螺栓连接件有限元模拟二次开发

李守巨1，刘军豪1, 张军2

(1. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室， 辽宁 大连 116024；2. 江西洪屏抽水蓄能有限公司, 江西 洪屏 330600)

为了精确和快速地研究螺栓连接件的力学性能，提出一种高效的建模方法。基于Visual Basic平台和ANSYS软件，建立VB界面和Access数据库的对接。通过VB对ANSYS的后台调用，开发出螺栓连接件力学分析系统，实现了螺栓连接件的参数化建模。研究表明，该方法能高效快速地对螺栓连接件进行力学分析，可以为结构设计和优化提供参考依据。

ANSYS软件; 二次开发; Visual Basic; 螺栓连接件; 强度分析

0　引　言

在工程领域，连接件在每个结构中都具有十分重要的地位。由于连接部件的相互作用、结构材料属性的多样性、设计参数的复杂性及荷载条件的不同，使得对螺栓连接件的研究设计显得十分重要。近年来，诸多学者对螺栓连接件问题进行了有限元静强度和疲劳寿命分析。曹占飞[1]用ANSYS 软件建立了法兰-螺栓连接系统三维有限元模型；Kim等[2]采用ANSYS软件建立了四种螺栓连接有限元模型；De Jesus等[3]建立了铆钉和螺栓连接疲劳寿命预测模型；Yun等[4]采用ANSYS有限元软件对单、多螺栓复合连接强度特性进行有限元数值模拟；Boni等[5]探讨了铆钉连接孔洞扩张的一些弊端，提出一些修正措施来提高疲劳强度极限，并用ABAQUS进行有限元数值模拟；Stocchi等[6]采用ABAQUS软件，在静力荷载条件下对复合螺栓连接与埋头紧固件接触问题进行有限元强度分析。可见，ANSYS等有限元软件是专业性比较强的应用软件，在上述分析过程中，一般技术人员很难准确地对连接件进行建模加载求解，无论是学习还是应用都将花费大量的时间。因此，设计出一套螺栓连接件的参数化有限元分析软件十分必要。

Visual Basic是可视化的程序设计语言，它提供了一套基于Windows平台的可视化编程环境。开发人员不必为界面的设计而编写大量的程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上画出各种对象即可。ANSYS是比较常用的有限元分析软件之一，其自带的APDL语言为其二次开发提供了方便。李朔东等[7]设计出运用ANSYS进行模态分析的二次开发系统，实现分析过程模块化自动完成。邱冬瑞等[8]利用VB对ANSYS进行二次开发，完成门式刚架的优化设计。刘标等[9]将VB对ANSYS的二次开发应用于门式起重机结构的有限元分析中，对门式起重机提供设计参考。黄洲等[10]运用VB对ANSYS进行二次开发，对液压缸进行了参数化设计，弥补了原液压缸参数化系统在零件性能分析上的不足。扬创战等[11]开发出减速器箱体ANSYS二次开发分析系统，对减速箱进行静力分析和模态分析，得出可视化的分析结果。笔者的目的在于将VB与ANSYS结合起来，开发螺栓连接件力学分析系统，达到提高设计效率，降低工作强度的目的。

1　螺栓连接件参数化建模设计

1.1设计思想

在运用ANSYS的APDL语言进行建模分析过程中，类似的模型只是尺寸以及荷载大小等参数不同，只需将通过VB输入的参数补充到已经写好的命令流文件中就能进行下一个问题的自动化分析。针对这个想法进行设计编程，设计流程如图1所示。具体实现步骤如下：

Step1利用ANSYS的APDL语言编写螺栓连接件的建模、划分网格、加载求解和后处理通用程序；

Step2运用VB设计出参数化输入界面，包括结构尺寸、材料参数、网格划分细度以及荷载大小等；

Step3将参数补写到编制的APDL文件中，通过VB后台调用ANSYS进行计算；

Step4在VB后处理界面显示位移和应力分布图。

通过以上设计思路和步骤顺利完成对螺栓连接件基于VB的ANSYS有限元分析。

图1　二次开发设计流程

1.2Visual Basic参数化界面

VB参数化界面用来输入模型尺寸、材料属性以及荷载等参数，如图2～4所示。图2和3分别为连接板和螺栓模型尺寸参数化界面；图4为各材料属性、网格划分细度以及边界条件参数化界面。

图2　连接板尺寸界面

图3　螺栓尺寸界面

图4　力学参数界面

1.3VB与Access数据库对接

对于螺栓非标准件直接通过图3界面输入参数，而对于标准件可直接进行选择，通过调用Access数据库实现，连接Access数据库程序如下：

Dim cn As New ADODB.Connection

Dim rs As New ADODB.Recordset

cn.ConnectionString="provider=microsoft.ace.oledb.12.0;" & "data source=" & App.Path & "/bolt.accdb"

cn.Open

str1 = "select * from[6-bolt] where 螺栓规格=’" & Trim(str) & "’"

Set rs = cn.Execute(str1)

X = rs.Fields("Y")

通过上述程序，即可以从存有螺栓规格的数据库文件bolt.accdb里面把相应规格的螺栓尺寸参数调取出来。

1.4VB参数传递的实现

首先，在VB中定义全局变量，每个参数化界面中通过以下代码实现参数传递：

X=Text1.Text

然后，将这些参数通过以下程序写入空白文件ansys.txt中：

Open "D:ansys.txt" For Output As #1

Print #1, "finish＄/clear,nostart ＄/prep7"

Print #1, "X="; x

最后。再把写好的命令流文件log.txt补写到ansys.txt文件中。这样就完成了整个命令流文件的编写。

1.5VB调用ANSYS后台运算

这一过程体现了VB对ANSYS进行封装，通过shell()函数实现：

Dim v As Double

v=Shell("E:ANSYSAnsys13ANSYSIncv130ansysinintelANSYS130.exe -b -p ane3fl -i D:ansys.txt -oD: esult.txt", vbNormalFocus)

对于VB是否调用完ANSYS还需要进行判断，简单问题可以通过file.err文件是否为空来判断，但要求建模分析过程中不能存在警告和错误；而对于复杂问题可以通过后处理显示的图片文件file.jpg是否为空进行判断。

1.6VB后处理界面图像显示

对后处理界面的封装，充分体现了软件的可视化，是至关重要的一部分。求解结束后还必须包含输出图像命令：

/show,jpeg,0

…

plnsol,s,eqv,0,1.0

plnsol,u,sum,0,1.0

/show,close

得到的分析结果图片通过Image控件显示，代码为：

Picture1.Picture=LoadPicture("D:f.jpg")。

2　实例分析

采用ANSYS程序对图5所示的摩擦型高强度螺栓连接件进行有限元模拟分析，各材料属性如表1所示。

表1　结构部件材料属性

高强度螺栓连接包括螺栓、螺母和垫圈。其中螺母和垫圈多采用45号结构钢和40B结构钢，8.8级高强螺栓采用45号结构钢，规格为M16，由于主要分析的是螺栓的承载力，所以按45号结构钢进行选取。

对连接板和螺栓进行四面体网格划分，板采用SOLID95实体单元，网格尺寸为5 mm；螺栓采用SOLID92四面体实体单元， 网格尺寸为2 mm ，有限元模型如图6所示。螺栓和连接板采用双线性弹塑性本构关系进行计算，本构方程：

图5　螺栓连接件尺寸

(1)

式(1)中,σ为应力，E为材料的弹性模量，ε为应变，fy为材料的屈服强度，Et为材料的切线模量，εy为材料达到屈服时对应的应变,

εy=fy/E。

(2)

(3)

式(3)中,σeq为等效Mises应力，σ1、σ2和σ3分别为第一主应力、第二主应力和第三主应力，fy为材料的屈服强度。

图6　连接件有限元模型

结构采用双线性随动强化模型BKIN，塑性区采用随动强化模型，采用增强拉格朗日接触算法。连接板和连接板之间、连接板和螺栓杆之间以及连接板和螺帽螺母之间设置接触。接触面的摩擦类型为库伦摩擦：当接触面的剪应力超过临界剪应力τcrit时发生相对滑动。临界剪应力τcrit与接触面上的压应力P关系[12]为

τcrit=μP,

(4)

式(4)中,μ为滑动摩擦系数，μ=0.4 。

选取目标单元targe170和接触单元conta174来模拟这一接触状态。高强螺栓的预拉力采用预拉伸单元prets179进行施加，值的选取按式(5)[13]给出：

(5)

式(5)中,fy为钢材的屈服强度，Ae为螺栓在螺纹处的有效截面面积，k1和k2分别是超张拉系数和附加安全系数，k1=0.9，k2=0.9；k3则是考虑拧紧螺栓时产生的扭矩效应，k3=1.2；P为高强螺栓的预拉力，P=86 kN。

根据钢结构规范，在剪切连接中每个高强度螺栓的承载力设计值为

(6)

边界条件为右端固定，左端加载。所有参数通过VB参数化界面输入进行计算，可得各构件的应力和位移分布图。图7～9为VB界面输出的构件的Mises应力分布。后处理显示界面能剖面显示各个部件的不同视角。

图7　连接板Mises应力分布

图8　螺栓Mises应力分布

从图7～9可知，螺栓的最大应力发生在螺栓截面突变的位置，为674 MPa，超过了螺栓的屈服强度640 MPa；螺杆的应力为480 MPa，材料仍处于弹性状态。连接板的最大应力发生在截面最小的部位，有明显的应力集中现象，为339 MPa，略大于其屈服强度335 MPa，表明该位置已进入塑性状态。

图9　接触面的Mises应力分布

3　结　论

(1)通过对高强度螺栓连接件进行有限元分 析，可以了解构件的基本受力情况，为进一步了解高强度螺栓力学性能提供依据。

(2)螺栓预拉力的作用产生压力和摩擦力，直接关系到构件的位移和应力，选择合适的预应力大小至关重要。

(3)将VB的可视化与ANSYS的强大计算功能结合起来，使两者的优点均得以发挥，提高了设计效率。工程技术人员经过简单的了解就可以通过这套

分析系统对螺栓连接件进行力学分析，减轻工作难度。

(4)该研究高效的计算软件与方便可视的参数化界面进行结合，具有高效简捷的特点，可以应用于各个工程领域。

[1]曹占飞. 法兰、螺栓连接系统的三维有限元分析[J]. 石油化工设备技术, 2004, 25(6): 17-19.

[2]KIM J, YOON J, KANG B S. Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints[J]. Applied Mathematical Modelling, 2007, 31(5): 895-911.

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(编辑徐岩)

Secondary development of finite element simulation for bolt joint based on VB and APDL

LIShouju1，LIUJunhao1，ZHANGJun2

(1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China; 2. Jiangxi Hongping Pumped Storage Company Limited, Hongping 330600, China)

This paper proposes an effective modeling method designed for a quick and accurate insight into the mechanical properties of bolt joints. The study involves establishing docking interface of VB and access database based on Visual Basic and APDL language; developing mechanical analysis system due to ANSYS software called by VB in the background and ultimately obtaining parametric modeling procedure of bolt joint. The results show that the proposed procedure capable of an efficient and quick analysis of mechanical properties of structure may provide a reference for structure design and optimization.

ANSYS software; secondary development; Visual Basic; bolt joint; strength analysis

2015-12-13

国家重点基础研究发展计划项目(2015CB057804)；国家自然科学基金项目(51105048,51209028)；工业装备结构分析国家重点实验室开放基金项目(S14206)

李守巨(1960-)，男，辽宁省沈阳人，教授，博士， 研究方向：计算力学及其参数反演，E-mail：lishouju@dlut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.018

TU311.41

2095-7262(2016)01-0080-05

A